能量采集时代:物联网和可穿戴设备需能自我供电

2014-02-08 10:31:11来源: 互联网

预计到2020年,全球将拥有500亿到3000亿台物联网设备,它们中的大部分属于由新型微控制器、无线和传感器技术支撑的小型物联网设备。由于没有用于数据和电源的线缆,这些物联网和可穿戴设备必需能自我供电。但如果每隔六个月或一年,你就得帮这些设备更换电池,那就有点悲催了。

  能量其实无处不在,能量收集和储存技术其实也并不是很新。但随着物联网的飞速发展,越来越多的公司有兴趣和动力去开发更有效的能量收集芯片、系统和可充电电池,以便能够在整个产品生命周期中持续使用。但对这些公司来说,最大的挑战就是找到如何自行收集/储存能量的方法以便持续使用,以及如何将这样的超低功耗芯片安装在小型物联网设备中。

  TI微能量采集开启无电池工作时代

  德州仪器(TI)电池管理市场及应用经理文司华认为,从光、热量、振动、射频RF上获取能量面临的一个重大挑战在于,一般的DC/DC转换器,如用在手持设备上的单节锂电池,输入电流基本在1A左右,很少做到50mA以下;输入电压在1.8 V以下也比较少,一般都是3 V或2.5 V以上。而太阳能(10-10000μW/cm2)、热量(25-1000μW/cm2)、振动(50-250μW/cm2)、 RF(0.01-0.1μW/cm2)的能量采集,它们所提供的电压非常少,可能少于1 V,电流也是毫安级或微安级。因此,能量采集技术的核心是能够通过更先进的拓扑结构和芯片设计,把这些输入微电源收集起来。

  其次,从芯片自身来看,如何获得更小的静态电流也非常关键。目前,DC/DC转换时1-10mA,待机时几十个μA到100μA,关机时1-2个μA的自功耗都属于相当不错的指标。但对能量采集来说这是远远不够的:因为采集到的电流一共才2μA,自身就消耗1μA,相当于只有50%的能效。即便解决了这个难题,实际上还不能直接给终端产品,例如无线电广播、ZigBee、蓝牙、MCU供电,因为至少需要几十或上百微安级的功耗才能实现驱动,所以还需要存储元件(锂离子电池、薄膜电池或超级电容)的配合,以实现更低的占空比。

  TI此次推出的五款最新一代电源管理集成电路(bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737和 TPS62736)产品,主要针对低数据速率、低占空比的超低功耗设计(微瓦至毫瓦级电源),包括智能家居可穿戴设备、摇控器、植入式医疗设备、石油钻井平台和管道等难以触及的设备、以及需要大量无线传感器供电的环境感知应用。

  以 TI集成降压转换器的最新bq25570升压充电器为例,其静态功耗仅为488毫微安(nA),而且可在输出电流低于10微安(μA)的情况下实现超过 90%的效率。bq25570不仅支持最大功率点跟踪(MPPT),可从光伏电池和热电发生器提取和管理电源,还支持任何能源存储元件,例如可充电式锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或常规电容器等。在长期存储期间,bq25570 供电可通过“运送模式(ship mode)”特性禁用,使其流耗不足5nA。

  能量采集技术将成为物联网发展的基石

  bq25505 升压充电器与 bq25570 类似,但可实现低至325nA的工作静态电流。bq25505采用自动功率多路复用器极驱动器,可通过能量采集电源与原电池实现无缝系统工作,在能量采集器不提供电能时,也能提供恒定电源,从而满足系统工作需要。

  除了电池管理电路外,TI还针对300mA输出电流设计方案推出了降压转换器TPS62740,其可在主动工作状态下支持360nA的静态电流,而待机状态下静态电流则为70nA。这款转换器可在低至10uA的电流下实现超过90%的效率,以及31mm2的总体解决方案尺寸,支持可编程输出电压特性与 DCS-Control功能。对于更低电流设计而言,TI针对200mA设计方案的最新TPS62737转换器以及针对50mA设计方案的 TPS62736 可在主动工作期间实现 370nA的超低静态电流,在睡眠模式下实现15nA的静态电流,而在输出电流不足15μA的情况下也可实现90%的效率。

关键字:能量采集  物联网  可穿戴设备

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2014/0208/article_23945.html
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