桥梁的安全监控、零瓦待机、智能照明控制……等这些看似风马牛不相及的领域,今天,它们都将和一个概念——“微型能量收集(Energy Harvesting)”技术联系在一起。微型能量收集技术虽然现在还没有得到大规模商用,但在刚刚开幕的第十二届慕尼黑上海电子展富士通半导体的展台上,我们惊喜地看到微型能量收集技术已经取得了重大技术突破,这为讨论已久的“无电池”、“半永久续航”应用的广泛普及奠定了基础。

 

慕尼黑上海电子展富士通半导体展示新一代节能环保技术。

1.慕尼黑上海电子展富士通半导体展示新一代节能环保技术。

 

富士通半导体此次重点展示了其最新推出的在微光条件下也可以实现97%转换效率的光环境发电PMIC,并且此电源管理IC还可以实现低至0.35V的超低电压启动。这些技术上的突破使得以往处于概念阶段的“无电池”、“半永久”应用场景即将成为现实,并且为绿色节能应用提供了更广阔的想象空间。

 

市场现状与趋势

“事实上,微型能量收集并不是一个全新的概念,它之所以一直没有被真正的广泛应用的最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其实际能够推动的能量消耗端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态,简单点说就是其收集的能量不够用。可喜的是随着传感器、MCU、RF等器件功耗的不断降低,以及微型能量收集电源管理IC技术的突破,使得系统能量收支逐渐趋于平衡。” 富士通半导体市场部高级经理王韵在展会现场介绍说。

 

而据日经BP社的测算,这类应用的能量收集和能量消耗情况在2010年和2011年阶段的时候已经非常接近,而2011年以后,他们认为微型能量收集技术所能收集的能量已经完全可以用于能量消耗的部分。

 

另据美国Innovative Research and Products (iRAP)公司的调查显示,到2014年,整个微型能量收集的市场规模将达到12.54亿美元。而从2009年开始,其市场一直保持每年73%的高增长率。

 

英国的IDTechEx公司也曾提供数据:“能量收集与能源类相关设备市场规模将由2010年的4.4亿美元增长至2020年的6.05亿美元”,微型能量收集技术将成为一个非常有潜力的市场。

 

将无电池应用变为现实

我们的生活圈中存在各种能量,如光、热、无线电波和振动等,如下图2所示。这些能量以太阳能、电磁、压电等形式输入能量收集电源管理IC(PMIC),用于能量收集。输出功率可以用于传感器、低功耗MCU或存储在存储元件中,如双电层电容和全固态二次电池。

 

能量收集系统配置

2. 能量收集系统配置。

 

富士通半导体及合作伙伴们一直在设想有哪些应用方案可以使这些生活中随处可见的能源被收集起来。在展会现场,富士通半导体王韵例举了几种非常有意思的能量收集应用。如下图3所示,这些应用包括:无需钥匙就能打开车门、水管理系统、无电池遥控、自定位系统等。

 

微型能量收集技术可实现的无电池应用例子

3. 微型能量收集技术可实现的无电池应用例子。

 

日常生活中,这些应用如果使用电池,就需要手动更换电池。电池确实是非常便宜,但是很多情况下对基础设施的电池进行更换的费用往往代价昂贵,而且废旧电池属于污染物。那么,此时能量收集方案就是解决方案。

 

“对于微型能量收集的无电池应用(batteryless),富士通半导体关注的重要领域之一就是在物联网即所谓的传感器网络(sensor network)的应用,帮助这类系统中的传感器节点(sensor node)以及用于通信的RF模块实现半永久的供电。” 王韵进一步指出。

 

下图4的三角形显示了微型能量收集的无电池应用在云业务中的3个层级,可以看到三角形的底层即是我们所讲的传感器节点,在中间层是一些网关,而这个三角形的顶部是云业务。

 

为什么需要无电池解决方案?

4. 为什么需要无电池解决方案?

 

“在这个系统中需要数量庞大的传感器节点,并且对其中的每个传感器节点都要求能够自由维护,并可以安装在任何地方。这就决定了必须是无电池的解决方案。”王韵解释道。

桥梁安全监控等“半永久”传感器网络

文章开头提及的桥梁安全监控也是传感器网络的一个实例。据不完全统计,最近五年内中国倒塌的桥梁总共达有三十七座之多。其实不光是在中国,在美国、日本、欧洲,很多桥梁因为建造的问题,因为地质变动的问题,因为老朽化的问题,多多少少都会存在一定的危险性。

 

桥梁的安全性问题迫使人们不得不对桥梁进行定期的或实时的监控。而现在能够对桥梁进行实时监控的方式之一就是将传感器安放在桥梁上。但是新的问题又出现了,因为在桥梁上布电源线是非常不方便的,传感器必须实现无线,按照现在的方式只能在传感器内部放一颗电池,可是放电池又遇到一个问题,即当电池电量耗完后,必须有人到桥梁可能人都没办法爬进去的地方去换电池,这就逼迫大家必须考虑将环境能量收集过来实现“半永久”工作的传感器网络。

 

王韵认为,除了桥梁的安全监控,能量收集技术在中国应用最多的还将体现在其它一些基础设施或建筑物上面,如下图5所示,大楼、地下管道、大坝、工厂设备的安全监控等都可以通过这种无线传感器网络的方式实现。

 

微型能量收集技术用于基础设施中的无线传感器网络。

5. 微型能量收集技术用于基础设施中的无线传感器网络。

 

帮助实现“零瓦”待机这一新卖点

现在消费者对节能的要求越来越高,特别是崇尚绿色生活的欧洲用户,非常厌恶使用电池的应用。因此在家用电器方面,很多厂商都在努力实现0W待机,以获得一个新的卖点和产品差异化特性。如机顶盒待机是从20W到10W到5W,到目前实现1W待机,以后要实现0W待机,但是0W待机在物理上是有限制的,要跨过这一步就必须采用微型能量收集技术来帮助实现,这是市场应用的机会所在。

 

富士通半导体本次展示的一款PMIC就属于微光太阳能采集芯片,能帮助实现0W待机。如在机顶盒或电视机上加上小小的一片太阳能电池板,帮助收集室内的微弱光照,让一颗MCU维持待机的功能,另外的主系统就真正实现关闭,这样就真正实现了0W待机。“而以前的电视厂商都是通过电池来实现待机的,现在我们用太阳能电池板替换了电池的应用,实现了无污染的零瓦待机。”王韵说。

 

用于智能照明控制,大幅降低楼宇耗电

“通常,我们会下意识的认为大楼里面能耗最大的是空调,冷气或暖气系统,但当我们进行调查研究后,得出的结论竟然是楼宇里的照明才是耗电最大的部分。所以要降低整个大楼的能耗,就要首先从照明系统开始。”富士通半导体王韵介绍说。

 

用于楼宇智能控制的“无线遥控器+<strongLED照明”方案。 src="http://2.eewimg.cn/news/uploadfile/qrs/uploadfile/201303/20130320060701861.jpg">

6. 用于楼宇智能控制的“无线遥控器+LED照明”方案。

 

可喜的是,富士通半导体现在已经开发出了这方面的参考设计方案,如上图6所示的“无线遥控器+LED照明”方案。

 

图中遥控器的供电是用无电池的方式实现,通过它可以控制照明,然后这个遥控器上又有一些光的传感器,通过这些传感器对外面亮度的感应,可以自动调节灯的亮暗、开关。把这种应用用到整个大楼,即当把这个遥控器放在整个大楼的任何一个地方都可以实现对这一片区域灯光的控制。“采用这种智能方式对降低大楼的能耗是非常有效的。”王韵表示。

 

两项突破:0.35V超低电压启动支持微光太阳能以及可同时收集太阳能和震动能的双模供电

现在让我们回到富士通半导体的技术和产品本身,看看富士通半导体的环境发电PMIC有着怎样独特的性能及其意义所在。如下图7所示,富士通半导体最新推出的两款能量收集PMIC分别是用来进行太阳能电源管理/振动能量控制的超低功耗电路,以及支持太阳能超低输入电压的升压DC/DC转换器。

 

富士通半导体最新推出了两款环境发电PMIC。

7. 富士通半导体最新推出了两款环境发电PMIC

 

用于光环境发电PMIC的太阳能超低电压升压DC/DC转换器是通过富士通半导体最新技术研发,可以实现低至0.35V的超低电压的启动。也就是在只有0.35V电压输入的时候,IC就可以开始工作,就可以升压,给电池充电。例如以前某品牌推出过一款太阳能的手机,但这种手机的应用非常不方便,因为只有在强光下才能给手机充电,但是不会有人把手机放到太阳光下去晒。而富士通半导体开发出了在微光条件下也可以实现97%转换效率的光环境发电PMIC,这样在微弱的光的条件下,也可以实现充电。“使用的环境就完全变化了,从室外搬到室内。这对客户的实际应用就有意义了。”王韵介绍说。

 

另外特别值得一提的是,这款芯片可以同时支持太阳能和震动的双重模式。在太阳能供电不足或无光照条件下时,可以以震动作为能量来源,弥补了现有市场上同类产品无法同时收集2种能量来源的缺陷。

 

“富士通半导体非常期待最大限度的利用科学和自身的技术发展为能源再利用做出贡献。除了上述所举的桥梁、家电、照明控制等例子,任何用到电池的地方,我们都可以考虑用这种方式替换掉电池。富士通半导体希望与业内企业合作,开发出更多更好的微型能量收集技术应用方案,使我们的生活更加便利和节能。”王韵最后表示。