原创【Brian Crutcher】小礼物：小采集，大能源

 2014-1-6 11:08  1322 12 12 分类: 模拟

小礼物：小采集，大能源

Brian Crutcher，德州仪器 (TI)高级副总裁兼模拟业务部总经理

我家里处处洋溢着节日的气氛。最近，为了传统的感恩节，大家欢聚在一起，用彩灯把屋子装扮一新，然后期待着聚会以及互赠礼物时刻的到来。每每此刻，都会让我们对“礼物”心生感激——它是支撑和丰富我们生活的人和物。

我首先要感谢的是家人，然后是友人、同事，当然还有我的客户们。

另外，我还要感谢让我们的生活变得更方便和安全的事物（如电子设备），它们中的一些曾经被我们认为是未来科技，而现在已成为现实中的终端设备，如低功耗烟雾探测器（请参见图1）等创新型设备，这些新型设备通过采集自周围环境的能源实现供电，可在无电池的情况下工作数年之久。我有恐高症，因此要让我站在高高的梯子上去更换电池是一件很恐怖的事情。想像一下一个像我这样的恐高症患者却要站在高高的梯子上或者忘记更换电池的烟雾探测器在半夜突然响起，这该是一件多么恼人的事情。而上述新型装置改变了这种情况。更重要的是，它们可以降低发生火灾的可能性。

图1 环境能源供电烟雾探测器

另一个很快将会实现的梦想是穿戴式电子设备。单是保健技术这一个领域就拥有广大的应用前景。模拟线路 (Analog Wire) 特邀博主Dr. Jess Goodman表示，我们很快将看到许多个人保健传感器系统穿戴在人们的身上，例如脉搏血氧计传感器等。这些穿戴式电子系统提供的数据将改变全球的医疗保健行业。我们相信，这些传感器中的大多数将使用人体的热量或者运动能量来供电，因此不再需要电池或者其他额外能源。

电子360（electronics360）上最近的IHS评论称，2012年全球穿戴技术市场收入达85亿美元，全年出货9600万件。预计到2018年，出货量可达2.1亿件，市场收入达300亿美元。尽管这只是分析家们的预测，具体数据可能不一定准确，但他们对未来的展望让我们激动不已。这些联网设备将使用无线传感器网络（WSN）（物联网（IoT）的组成部分）实现一个真正联网和高效的电子网络世界。

另外，我们还看到客户们正致力于各种传感器网络的建设，以实现对铁路、水泵和天然气管道等固定资产的预防性管理（请参见图2）。这种监控不但可以用最低的运营成本来延长这些资产的使用寿命，而且还可以让资产拥有者找出和防止那些可能会影响公共安全的潜在故障。例如，利用采集自环境的存储能源（如：铁轨震动能或者太阳热能），传感器可以监控和发现不平的铁轨。

图2 使用采集能源供电的传感器实施预防性安全管理，有助于延长固定资产使用寿命。

为什么我们梦寐已久的这些终端应用现在开始出现在市场上？毕竟，能源采集并不是一个全新的概念。一个关键因素在于许多超低功耗半导体的发展现在开始融合，让其变得更加实用并具备较高的成本效益，从而能够设计并实施许多功率需求和可用性均得到优化的系统。低功耗智能传感器前端可以降低设计复杂程度，同时提高传感器的性能。新型能源采集IC现在可以让系统高效地从环境能源中提取能量。这些新型超微功耗和超低功耗能源采集IC拥有非常低的有源静态电流，其可以通过各种储能设备（从电池到超级电容器）为系统提供能源支持（请参见图3）。

图3 新型超低功耗电路正带来下一波能源采集应用

但是，首先需降低系统功耗要求，这样终端设备才能在最小功率下工作。超低功耗基于FRAM的MSP430FR59xx“金刚狼”（Wolverine）MCU，可在有源功耗模式下以达低100 µA/MHz正常工作，实现“小口啜饮”而非“大口吞食”能量。这就意味着，使用更小的能源采集器便可满足系统的需求。当然，在极低功耗条件下，也需让能源采集管理器件能够轻松工作。能源采集管理过程中所消耗的能源会带来浪费。评论员Albert Hartman表示，GigaOm公司认为，驱动物联网有五种方法，“如果完成这项工作所需的能量降至接近零，则事情就变得简单多了（请参见图4）。”

图4 能源采集的目标是从各种能量来源（太阳、热、震动等）提取最多的能量，并用它们驱动各种设备。TI的强项是电源管理、微处理器、无线电和信号调节器件。阅读相关博文，请点击此处。

高德纳公司（Gartner）分析师Steve Ohr表示，能源采集是驱动物联网的关键。他说，“尽管大多数WSN可就近使用电源以及电池，但是多达10%的传感器节点只能完全依靠自供电。”《EE Times》上的一篇文章引用《Navigant研究报告》预测，“到2020年，能源采集设备销售量将从2013年的不足1000万件增长至1870万件。”

TI模拟与网络接入集成电路和嵌入式处理器，可帮助实现这些超低功耗创新设计。这些设计套件（参见图5）可让广大客户更轻松地开始设计。