用環境電源為物聯網供電

物聯網 (IoT) 代表著智慧型裝置形成高度互連網的願景，可彼此交換資料，無需人為介入，並且涵蓋所有智慧型裝置環境的各個層面。 如何為這些裝置供電依然是重大挑戰，但能源採集方案就是一個不錯的方法。 透過目前可用的能源傳感器和 IC，工程師能打造零功率的智慧型裝置，藉此解決 IoT 演進時所面臨的電源挑戰。

IoT 能將網際網路的涵蓋範圍延伸到與機器互動的個別嵌入式裝置，透過智慧型手機、平板裝置與電腦將原本熟悉的使用者網路典範進一步拓展。 與使用者系統不同的是，透過 IoT 連接的嵌入式裝置必須仰賴本身的電力才可持續運作，且勢必沒有使用者會負責監控是否有電力、更換電池或將裝置插頭插入電源插座。

在眾多情況下，IoT 裝置預計可操作數年之久，壽命超越能提供足夠操作電力的最先進電池技術。 此外，這些嵌入式裝置的許多智慧型感測器應用皆僅需相當少的元件（圖 1），即可將感測器數據無線傳送到其他智慧型裝置與上游伺服器。

圖 1：在概念上，IoT 的典型無線感測器節點是一種結合 MCU 與子系統的簡易型裝置，可用於感測器和無線連線。 對於預期要在無人看守下運作數年之久的 IoT 裝置而言，系統電力仍然是一大挑戰（資料來源：Texas Instruments）。

超低功率元件以及特殊元件的問世，讓工程師得以從環境電源取得足夠電力，並為系統供電（圖 2）。 所謂的「零功率」系統能從環境中擷取並儲存足夠的能量，因此無需終究要替換的傳統電池。

圖 2：對於 IoT 而言，能源採集功率子系統能從環境電源中擷取電力，並符合峰值功率需求，並且具有長效儲能裝置，能達到多年的無人看守操作（資料來源：Texas Instruments）。

即便工業和運輸產業中有許多 IoT 應用能透過太陽能供電運作，但仍有許多應用深藏在此受監控的環境中，照射不到陽光。 在絕大多數個人健身應用中，智慧型感測器皆隱匿在鞋子、衣服和配備中。 健身應用以及在消費性、零售、醫療與其他產業的相似應用，皆須透過振動、溫度差異以及周遭越來越普及的無線能量來源 RF 訊號，才能擷取足夠的電力。

無論環境能量的類型為何，設計人員面臨的一大挑戰就是，在打造能擷取最大電力的能源採集電源供應器時，能源本身的能量輸出可能會經常大幅變動。 壓電裝置等能量傳感器能將振動能量轉換成電壓輸出，並可在振動來源的共振頻率操作下，以及符合壓電輸出阻抗的負載操作下，提供最大的能量。 實際上，為了確保達到最大能量轉換，設計人員需要將各類傳感器的典型操作特性納入考量，以便在理想的最大功率點下確實產生最大功率（圖 3）。

圖 3：為了獲取最大電力，設計人員須考量傳感器的功率輸出曲線，因其容易受到可變電阻傳感器（如太陽能電池 (a)）以及恆定阻抗傳感器（如熱電發電機和壓電裝置 (b)）的影響（資料來源：Cymbet）。

讓複雜性更加劇的是，功率子系統需提供電源管理功能，以便有效率供電給負載，同時有效率地管理儲能裝置的充電和保護需求。 常用於此類應用的鋰離子儲能裝置需具備精準控制功能，才可避免欠壓或過壓情況，否則會導致儲能裝置永久受損。

基於這些眾多需求，理想的能源採集電源供應器本身就會成為高度複雜的系統，才能以最佳方式從複雜的環境能源（如振動）擷取最大能量，且需內建精密的負載反應式電源管理功能（圖 4）。 在此例中，傳感器輸入級使用最大功率點追蹤 (MPPT) 技術因應共振頻率的變動，以便將傳感器維持在理想的操作狀態。 在輸出級方面，電源管理功能會維持儲能裝置並且回應不同的電力需求。 無線通訊對這些應用施加龐大的電力負載。 將通訊工作週期降至所需的最低程度後，儲能裝置就可提供足夠的電力，既符合週期性電力尖波需求，並可及時重新充電因應下次的峰值要求。

圖 4：理想的能源採集電源供應器可確保傳感器維持在可達到最大能量輸出的操作狀態，而且以最佳方式同時符合儲能裝置以及下游負載的需求（資料來源：Next-Generation Energy-Harvesting Electronics、英國工程暨物理科學研究委員會）。

對 IoT 裝置設計人員而言，特殊元件的推出，在打造可滿足上述絕大多數需求的精密能源採集功率子系統時，能減少相關挑戰。 特殊元件如 Maxim Integrated 的 MAX17710，就具備這些應用所需的超低功率操作，以及儲能和負載管理所需的整合式精密電源管理功能。 MAX17710 跟其他一些同類元件一樣，皆整合升壓轉換器以支援超低電壓輸入來源。 MAX17710 能從環境能源擷取能量，且輸出功率位準低至 1 μW，並提供位準可選擇的穩壓輸出，包括 3.3、2.3 和 1.8 V，並且具備過量放電防護。 此元件可直接對儲能裝置充電，提供過量充電防護以及欠壓鎖定，有助於預防儲能裝置受損。

Linear Technology 的 LTC3108 提供多重穩壓輸出，包括 2.2 V LDO，能為外部微控制器供電，並具有主要功率輸出，可編程至四種不同的固定電壓輸出位準之一。 此元件能對外部儲能裝置充電，在輸入降低到低於預設閾值時，會自動將負載切換至儲能裝置。

工程人員亦可找到其他可提供更多特別且完善能源採集功能的可用元件。 Cymbet 的 CBC915 結合整合式 MPPT 能力，能針對多種可變和恆定阻抗傳感器追蹤最大功率點。 CBC915 專為搭配 Cymbet EnerChip™ 元件（如 CBC050）所設計，提供完善的充電管理與防護功能，並具備傳遞狀態資訊的能力，包括將 EnerChip 充電狀態傳遞給輔助處理器。

Texas Instruments 的 BQ25504 除了內建的電池與負載管理功能外，亦內建 MPPT 功能，能將能量傳感器維持在最大功率點（圖 5）。 此元件會對輸入來源的開路電壓進行取樣，並透過外部電阻以及外部保持電容進行編程。 此元件的升壓轉換器可支援低至 80 mV 的輸入電壓來源。 其儲能管理功能同時結合儲能裝置充電與防護功能，可用於欠壓和過壓位準。

圖 5：Texas Instruments 的 BQ25504 等裝置專為能源採集應用所設計，其功能可運用 MPPT 技術有效擷取能量，並且具備可管理儲能裝置以及下游負載的功能（資料來源：Texas Instruments）。

其他以能源採集應用為目標的特殊元件可依據特定傳感器類型分類。 Linear Technology 的 LTC3588-1 就整合全波橋式整流器以及降壓轉換器，能從高阻抗 AC 電源（如壓電裝置）達到最大能量轉換。 除此之外，此元件更完整支援所有類型的傳感器。 LTC3588-1 的用途即使不包括支援電池管理需求，但亦可在外部電容上儲存電荷，或者設定搭配電池備援裝置使用。

結論

即使 IoT 應許了數十億智慧型裝置互連的未來，但如何確保在裝置的操作年限具備足夠的電力仍是一項挑戰。 能源採集技術提供的電力解決方案，正好適合這些智慧型裝置所預期的操作條件。 透過專為能源採集應用所設計的既有 IC，工程人員即可用太陽能、溫度、振動和 RF 能量等環境電力來源讓智慧型裝置達到多年操作，藉此滿足新興 IoT 應用的需求。

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