能量采集(Energy Harvesting)是從各種環(huán)境能源(如太陽(yáng)能、射頻波、物理振動(dòng))中捕獲、轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存能量的過程。這項(xiàng)技術(shù)在環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)(Ambient IoT)的基礎(chǔ)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)是一代超低功耗的連接設(shè)備，它們通過從周圍環(huán)境獲取能量運(yùn)行，而不是依賴傳統(tǒng)電池。

本文將逐步講解如何評(píng)估能量流的每個(gè)階段，幫助您了解核心問題：能量預(yù)算能否支持您的應(yīng)用場(chǎng)景?我們還將探討光能采集系統(tǒng)的架構(gòu)、能量流、設(shè)計(jì)權(quán)衡和驗(yàn)證技術(shù)，并重點(diǎn)介紹實(shí)用工具，如Silicon Labs(芯科科技)的支持藍(lán)牙和Zigbee Green Power無線連接的專門開發(fā)板-EFR32xG22E能量采集開發(fā)套件，以及Qoitech的Otii Ace Pro功率測(cè)量和分析工具。

芯科科技能量采集平臺(tái)概述

芯科科技EFR32xG22E無線SoC的能量采集平臺(tái)經(jīng)過優(yōu)化，具備超低功耗特性。測(cè)量結(jié)果顯示，從上電復(fù)位冷啟動(dòng)僅需150微焦耳(μJ)，而從深度睡眠模式(EM4)喚醒僅消耗17微焦耳(μJ)，實(shí)現(xiàn)快速任務(wù)執(zhí)行且能量開銷極低。該平臺(tái)采用精確的能量預(yù)算技術(shù)，以微焦耳為單位平衡輸入與消耗，并根據(jù)可用能量動(dòng)態(tài)調(diào)整固件行為——包括調(diào)節(jié)傳輸頻率、負(fù)載大小和內(nèi)存操作。此架構(gòu)支持在能量受限環(huán)境中的持續(xù)運(yùn)行，非常適合可擴(kuò)展的環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)部署。

能量采集的開發(fā)

一個(gè)典型的光能采集系統(tǒng)應(yīng)包括四個(gè)主要組件：

光伏電池：將光轉(zhuǎn)換為電能。轉(zhuǎn)換效率取決于光強(qiáng)、角度和電池材料。

電源管理芯片：調(diào)節(jié)電壓、提升功率，并執(zhí)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)以優(yōu)化能量捕獲。

能量存儲(chǔ)：使用超級(jí)電容、可充電電池或混合方案儲(chǔ)存采集的能量。選擇取決于應(yīng)用的能量特征和工作周期。

負(fù)載：消耗能量的嵌入式系統(tǒng)，如傳感節(jié)點(diǎn)或無線發(fā)射器。

設(shè)備概述：能量采集硬件

xG22-EK8200A

xG22E 能量采集探索套件旨在實(shí)現(xiàn)功能并加速基于能量采集供電設(shè)備的開發(fā)，這些設(shè)備使用 Bluetooth Low Energy (LE) 和 Zigbee Green Power 等射頻協(xié)議。該套件基于EFR32xG22E開發(fā)板，具備超快速低能耗冷啟動(dòng)和低能耗深度睡眠喚醒，非常適合多種能量受限的應(yīng)用。套件包含三個(gè)與行業(yè)領(lǐng)先PMIC 供應(yīng)商e-peas聯(lián)合開發(fā)的擴(kuò)展板，可穩(wěn)固安裝在開發(fā)套件的主板上，支持包括光伏電池在內(nèi)的能量源評(píng)估。

BRD8201A - 雙源采集擴(kuò)展板

該擴(kuò)展板采用e-peas最新且最先進(jìn)的PMIC —— AEM13920，允許開發(fā)人員同時(shí)測(cè)試雙能量源、調(diào)試獨(dú)立運(yùn)行場(chǎng)景，并評(píng)估電池壽命。

BRD8202A - 動(dòng)能按鈕擴(kuò)展板(配備BRD8206A 動(dòng)能按鈕)

該擴(kuò)展板用于演示特定應(yīng)用，即通過動(dòng)能開關(guān)為無線SoC供電。專用于動(dòng)能/脈沖能量采集應(yīng)用，采用e-peas AEM00300。

BRD8203A - 電池?cái)U(kuò)展板

該擴(kuò)展板用于測(cè)試替代電池化學(xué)體系和超級(jí)電容器。

EFR32xG22E能量采集探索套件的內(nèi)容

光伏電池(PV Cell)：Voltaic Systems P121 R1H，一款專為戶外使用設(shè)計(jì)的光伏電池。

能量存儲(chǔ)器(Energy Storage)：Tecate 10F 3.8V 鋰超級(jí)電容器。

xG22-EK8200A與兩臺(tái)Otii Ace Pro的測(cè)量設(shè)置示意圖。該設(shè)置可根據(jù)需要評(píng)估的組件數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)展。

使用xG22-EK8200A與Qoitech Otii Ace Pro進(jìn)行光能采集評(píng)估

能量采集實(shí)測(cè)

來自光伏電池的能量與PMIC行為

讓我們觀察由e-peas AEM13920能量采集器收集的光伏電池輸出能量。當(dāng)查看Otii Ace Pro(在此設(shè)置中稱為 Ace_EnergyHarvester)測(cè)得的電流和電壓數(shù)據(jù)時(shí)，你會(huì)看到頻繁的尖峰(見下方 Otii 圖表)。放大這些尖峰可以揭示 PMIC 的工作方式。

每個(gè)循環(huán)開始時(shí)，PMIC 會(huì)暫時(shí)斷開能量采集器(EH)的負(fù)載。這段短暫的暫停使其能夠測(cè)量 EH 的開路電壓(Voc)。測(cè)得的 Voc 隨后用于計(jì)算最大功率點(diǎn)(MPP)——即 EH 在該電壓下工作效率最高。

對(duì)于許多能量采集器而言，Voc 與 MPP 電壓之間的比例在不同光照條件下保持不變。在 e-peas PMIC 的情況下，該比例可配置在 35% 至 85% 之間，默認(rèn)設(shè)置為 75%。在數(shù)據(jù)中標(biāo)注的時(shí)間段內(nèi)，Voc被測(cè)量，隨后 PMIC 調(diào)節(jié)電壓以保持在 Voc 的 75%。

PMIC與光伏能量采集器的電流和電壓循環(huán)行為

能量存儲(chǔ)

通過分析Otii Ace Pro(在此設(shè)置中稱為 Ace_Battery)測(cè)得的電流和電壓數(shù)據(jù)，該設(shè)備用于監(jiān)測(cè)能量在能量存儲(chǔ)器(電池)中的流入和流出，我們可以觀察電池電壓以及電流流動(dòng)的方向。在此設(shè)置中，正電流表示電池放電，負(fù)電流表示充電。

在下圖中，在高亮部分的起始階段，芯片喚醒并傳輸數(shù)據(jù)。在此過程中，平均電流為正，表明芯片從電池中獲取的功率超過了能量采集器在該時(shí)刻提供的功率。然而，當(dāng)觀察整個(gè)傳輸與休眠周期時(shí)，整體電流和能量值為負(fù)，如整個(gè)高亮部分所示。這意味著能量采集器在空閑時(shí)間提供的能量多于芯片消耗的能量，使電池能夠重新充電。在這種情況下，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自我維持。

芯片組喚醒并傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的電流和電壓行為

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備功耗特性

設(shè)計(jì)和優(yōu)化高效的能量采集系統(tǒng)涉及許多變量。其中最關(guān)鍵的起點(diǎn)之一是確保目標(biāo)設(shè)備本身具備能效。在整個(gè)開發(fā)過程中進(jìn)行持續(xù)測(cè)量和不斷優(yōu)化是成功的關(guān)鍵，同時(shí)選擇低功耗組件以實(shí)現(xiàn)整體高效設(shè)計(jì)。

BRD8201A是其中一個(gè)組件——一款雙源采集擴(kuò)展板，搭載EFR32xG22E無線SoC。作為能量采集套件的一部分，我們?yōu)?a target="_blank">開發(fā)者提供機(jī)會(huì)，在真實(shí)的能量采集條件下探索和評(píng)估其性能。

在此設(shè)置中，我們使用Otii Ace Pro(在該配置中命名為 Ace_IoT)分析其行為。結(jié)果顯示在下圖中，展示了由能量采集供電的 Silicon Labs 芯片的電流消耗。

在每 27 秒發(fā)生一次的活動(dòng)周期中，平均電流消耗約為160μA。在休眠模式下，芯片平均僅消耗不到300 nA，這凸顯了其在超低功耗應(yīng)用中的適用性。

BRD8201A—雙源采集擴(kuò)展板在休眠模式下的電流消耗

總結(jié)：無電池物聯(lián)網(wǎng)已到來

本次評(píng)估強(qiáng)調(diào)了基于光能采集技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無電池物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的變革潛力，尤其是通過集成的EFR32xG22E平臺(tái)和Qoitech的Otii Ace Pro測(cè)量工具。借助光伏電池和先進(jìn)的 PMIC(如 e-peas AEM13920)，開發(fā)者可以設(shè)計(jì)出能夠動(dòng)態(tài)適應(yīng)環(huán)境條件的系統(tǒng)，通過最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)優(yōu)化能量捕獲，并在光照波動(dòng)場(chǎng)景中保持能量平衡。測(cè)試設(shè)置采用雙 Otii Ace Pro，分別監(jiān)測(cè)光伏輸入和存儲(chǔ)行為，提供了能量流的細(xì)粒度視圖，揭示了關(guān)鍵指標(biāo)，如芯片的超低休眠電流(<300 nA)和高效喚醒能耗(EM4 模式僅 17 μJ)。這些數(shù)據(jù)凸顯了在能量受限環(huán)境中實(shí)現(xiàn)持續(xù)運(yùn)行的可行性。

此外，評(píng)估表明，通過合理的功耗分析和設(shè)計(jì)權(quán)衡，此類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自給自足，這在完整的傳輸-休眠周期中凈負(fù)電流的結(jié)果中得到了驗(yàn)證。這不僅證明了能量采集架構(gòu)的可行性，還強(qiáng)調(diào)了選擇低功耗組件以及根據(jù)實(shí)時(shí)能量可用性持續(xù)優(yōu)化固件行為的重要性。采用超級(jí)電容器和混合存儲(chǔ)方案進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)在低光照期間的韌性。隨著環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)發(fā)展，此處呈現(xiàn)的洞察和方法論為開發(fā)者構(gòu)建可擴(kuò)展、可持續(xù)、免維護(hù)的IoT解決方案提供了實(shí)用藍(lán)圖。借助xG22E能量采集探索套件和Otii的功耗分析工具，無電池物聯(lián)網(wǎng)的未來不僅充滿希望——它已經(jīng)觸手可及。