【導讀】人們常提議利用環(huán)境能量采集技術(shù)為遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的電池充電，但這種技術(shù)尚未普及。本博客探討了導致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導體）的創(chuàng )新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環(huán)境效益顯著(zhù)。
人們常提議利用環(huán)境能量采集技術(shù)為遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的電池充電，但這種技術(shù)尚未普及。本博客探討了導致這一情況的原因，并介紹了Nexperia（安世半導體）的創(chuàng )新型電源管理集成電路(PMIC)，該集成電路將從根本上提高能量采集的可行性，且環(huán)境效益顯著(zhù)。
對于許多遠程物聯(lián)網(wǎng)設備而言更換電池無(wú)甚意義
包括物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境傳感器、智能標簽和電子貨架標簽在內，許多便攜式或遠程設備的用例最終都有一項成本必須由終端客戶(hù)承擔，主要原因是電池更換。
在擁有成百上千個(gè)傳感器或 ESL 的大型系統中，適當更換、回收或處理耗盡的電池需要耗費大量的人力和物力。這對此類(lèi)技術(shù)的采用產(chǎn)生了負面影響。因此，為了盡量減少更換電池的次數，用戶(hù)別無(wú)選擇，只能接受這些設備提供的較低性能水平。例如，工廠(chǎng)或智能樓宇運營(yíng)商可能會(huì )對傳感器進(jìn)行編程，使其每小時(shí)只提供一次環(huán)境溫度讀數，而不是更有規律地提供讀數，從而最大限度地延長(cháng)設備在睡眠模式下的時(shí)間，幫助最大限度地減少對電池的消耗。然而，在其他便攜式應用中，犧牲性能不被接受，例如電視遙控器，在其使用期限內不可避免地需要多次更換電池。
此外，電池處置不當還會(huì )對環(huán)境造成嚴重影響。例如，歐盟歐洲統計局的數據（廢物統計 - 回收的電池和蓄電池，2023年1月）顯示，2020 年售出的便攜式電池和蓄電池約為 22.9 萬(wàn)噸，而回收利用的僅有約 9.9 萬(wàn)噸。這些設備會(huì )產(chǎn)生大量有害廢物，通常被丟棄在有害垃圾填埋場(chǎng)，對環(huán)境造成威脅。
由于固有缺陷能量收集裝置尚無(wú)法取得成功
通過(guò)能量采集技術(shù)收集環(huán)境能量并將其用于電子設備供電有望攻克這些限制。能量采集量大于消耗量的應用可以實(shí)現完全的能量自主，但到目前為止，有兩個(gè)主要因素限制了其應用。首先，現有產(chǎn)品尺寸較大，材料成本高。這些產(chǎn)品使用 DC-DC 轉換器，附帶一個(gè)體積龐大且價(jià)格昂貴的電感器，然而，這樣的設計存在問(wèn)題，因為許多物聯(lián)網(wǎng)設備的外形尺寸無(wú)法容納電感式開(kāi)關(guān)轉換器。其次，由于環(huán)境能量的可變性（如光照強度的波動(dòng)），這些解決方案需要復雜的定制才能達到最佳功率轉換效率，也就意味著(zhù)應用并非易事。
Nexperia的能量采集 PMIC可將板面積縮小達 20 倍
圖 1 顯示的是 Nexperia 的 NEH2000BY 高性能 PMIC，它可以利用從環(huán)境中采集的能量為電池充電。該 PMIC 專(zhuān)門(mén)為光伏(PV)采集器進(jìn)行了優(yōu)化，但可以與符合其輸入電壓范圍的任何其他采集器集成。針對特定應用，NEH2000BY 會(huì )采用自適應算法，以?xún)?yōu)化將采集的能量轉移至電池的方式。這樣，設計人員可以在不影響性能的前提下，開(kāi)發(fā)出在使用壽命內無(wú)需更換電池的物聯(lián)網(wǎng)設備。
這種獨特設計的另一個(gè)顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)在于，它僅使用了三個(gè)微小的外部電容器，而沒(méi)有使用電感器。這大大簡(jiǎn)化了 PCB 設計，同時(shí)顯著(zhù)減小了板尺寸和 BOM 總成本——總組裝面積僅為 12mm2。此外，這使得能量采集設計更加簡(jiǎn)單明了，尺寸較現有解決方案縮小 20 倍，而且無(wú)需針對個(gè)別應用進(jìn)行手動(dòng)優(yōu)化。
圖1. PV 能量采集應用中的 NEH2000BY PMIC
最大功率點(diǎn)跟蹤算法適合各種應用
為更大限度地提高轉換效率，能量采集系統中使用的功率轉換必須能夠適應環(huán)境能量的波動(dòng)。這意味著(zhù)，日常采集的能量主要取決于系統找到最佳功率轉換配置的速度。NEH2000BY 可自動(dòng)運行，無(wú)需預先編程，并會(huì )執行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，以實(shí)現高達 80% 的最佳平均轉換效率。這種獨特的 MPPT 算法不僅速度快，而且精度高，讓PMIC能夠在 1 秒鐘內適應環(huán)境變化。這比目前可用的任何解決方案都快得多，并可以大幅提高一天內采集到的能量，從而大大擴展了其應用領(lǐng)域。
環(huán)境效益顯著(zhù)
NEH2000BY 能夠在功耗低至幾微瓦的應用（包括無(wú)線(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)節點(diǎn)、可穿戴智能標簽和電子貨架標簽）中，從各種環(huán)境源采集能量，以幫助節約成本。此外，那些應用將不再需要更換電池或者無(wú)需電池，從而可顯著(zhù)減少有害廢物的產(chǎn)生，帶來(lái)巨大的環(huán)境效益。NEH2000BY 采用 16 引腳 3 mm × 3 mm QFN 封裝，工作溫度范圍為 -40℃ 至 +85℃，它有望徹底改變遠程物聯(lián)網(wǎng)設備的能量采集。
Nexperia (安世半導體)
Nexperia（安世半導體）總部位于荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發(fā)展歷史的全球性半導體公司，目前在歐洲、亞洲和美國共有15,000多名員工。作為基礎半導體器件開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導體）的器件被廣泛應用于汽車(chē)、工業(yè)、移動(dòng)和消費等多個(gè)應用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設計的基本功能提供支持。
Nexperia（安世半導體）為全球客戶(hù)提供服務(wù)，每年的產(chǎn)品出貨量超過(guò)1,000億件。這些產(chǎn)品在效率（如工藝、尺寸、功率及性能）方面成為行業(yè)基準，獲得廣泛認可。Nexperia（安世半導體）擁有豐富的IP產(chǎn)品組合和持續擴充的產(chǎn)品范圍，并獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標準認證，充分體現了公司對于創(chuàng )新、高效、可持續發(fā)展和滿(mǎn)足行業(yè)嚴苛要求的堅定承諾。
（文章來(lái)源：安世半導體，Rodrigo Mesquita，能源收集產(chǎn)品的業(yè)務(wù)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理）
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