不靠電池供電的超低功耗MCU將會(huì)如何？答案令人吃驚

/ 能量收集 /

效率的重要性與生俱來(lái)。通過(guò)利用效率優(yōu)勢(shì)讓額外資源的支出發(fā)揮出更大價(jià)值，可以提高性能，盡量降低成本并減少浪費(fèi)。能量收集提供了一種利用環(huán)境能量為電氣設(shè)備供電的方法。對(duì)于使用電池的設(shè)備，能量收集可以延長(zhǎng)電池的使用壽命或完全替代電池的能量貢獻(xiàn)。

超低功耗 (ULP) MCU是能量收集的合理選擇。這些器件常用于可穿戴技術(shù)、無(wú)線傳感器和其他需要延長(zhǎng)電池使用壽命的邊緣應(yīng)用中。接下來(lái)我們將介紹下能量收集在實(shí)踐中的工作原理，這有助于理解能量收集對(duì)ULP MCU的價(jià)值。

01、能量收集的工作原理

原則上來(lái)說(shuō)，能量收集是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念。它要解決的問(wèn)題是主要能源（電池、燃料、電網(wǎng)）數(shù)量有限。而且，盡管有取之不竭的環(huán)境能量可供捕獲，但這些能量無(wú)法100%轉(zhuǎn)換為可用能量。這也是風(fēng)力渦輪機(jī)成為大型可再生能源的原因。渦輪機(jī)從風(fēng)中接收勢(shì)能，使葉片圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)相連產(chǎn)生電能。其他大規(guī)模環(huán)境能源包括太陽(yáng)能、海浪和地?zé)岬取?/p>

可穿戴設(shè)備和無(wú)線傳感器等較小尺寸的技術(shù)產(chǎn)品可以收集動(dòng)能、熱能或環(huán)境電磁輻射能。這些能量形式的每一種都使用不同的機(jī)制將源功率轉(zhuǎn)換為可用能量。每種能源的效用和實(shí)用性都是重要的考慮因素，因?yàn)榫唧w應(yīng)用可能會(huì)限制能量轉(zhuǎn)換所需設(shè)備的尺寸和質(zhì)量。

熱輻射對(duì)無(wú)線傳感器很有用，因?yàn)閭鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)和放置可同時(shí)利用兩種形式的能源。在車上，靠近道路的傳感器可以接受來(lái)自柏油路的輻射熱。而其他傳感器則可以利用來(lái)自高振動(dòng)位置（例如靠近車輪或發(fā)動(dòng)機(jī)部件）的動(dòng)能。對(duì)于超低功耗MCU，從人類用戶的運(yùn)動(dòng)中回收的動(dòng)能是目前非常實(shí)用的可轉(zhuǎn)換能量形式。

02、超低功耗MCU的機(jī)遇

由于ULP MCU的主要應(yīng)用是可穿戴技術(shù)，因此以極低的系統(tǒng)功耗處理邊緣數(shù)據(jù)至關(guān)重要。能量收集減少了對(duì)可穿戴技術(shù)電池的能量需求，電池的能量有限，需要在電量耗盡后定期充電或更換。電池的廢棄處理也存在挑戰(zhàn)，因?yàn)殡姵厮玫牟牧喜灰谆厥?。ULP MCU能量收集器通過(guò)壓電、電磁或摩擦電發(fā)電機(jī)捕獲動(dòng)（機(jī)械）能。

壓電

“壓電”一詞源自希臘語(yǔ)，意為擠壓或按壓。動(dòng)能壓縮壓電材料，產(chǎn)生電場(chǎng)。工程師根據(jù)預(yù)期的機(jī)械負(fù)載和電場(chǎng)密度選擇材料，并平衡其功率貢獻(xiàn)潛力與材料特性，這些特性會(huì)在電場(chǎng)存在時(shí)使材料變形。這些相互競(jìng)爭(zhēng)的因素使設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化能量收集器對(duì)反復(fù)增加主電池功率所做的貢獻(xiàn)。一些估計(jì)表明，動(dòng)力運(yùn)動(dòng)平均可為ULP MCU的主電源增加10mW。

電磁輻射

另一種用于小型MCU的能量收集技術(shù)是電磁輻射。無(wú)線電、紅外線、紫外線和微波通過(guò)空氣攜帶輻射能。環(huán)境電磁波使磁場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，通過(guò)特定尺寸的磁鐵和氣隙設(shè)計(jì)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。這種方法能為系統(tǒng)貢獻(xiàn)大約0.3mW的收集功率。

摩擦電納米發(fā)電機(jī)

ULP MCU的最終轉(zhuǎn)換介質(zhì)是摩擦電納米發(fā)電機(jī) (TENG)。該技術(shù)將[不同]材料應(yīng)用于承受機(jī)械運(yùn)動(dòng)（如旋轉(zhuǎn)、振動(dòng)、擺動(dòng)和膨脹/收縮）摩擦的表面。電極支撐這些材料，回收由材料摩擦產(chǎn)生的電荷不平衡（靜電）所產(chǎn)生的能量。這種方法提供的補(bǔ)充功率是壓電的十分之一，大約為1-1.5mW。

03、結(jié)語(yǔ)

對(duì)于可穿戴技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，超低功耗MCU的日常應(yīng)用大概消耗數(shù)十毫瓦的功率。鋰離子電池是以合適的時(shí)長(zhǎng)提供電力的絕佳選擇。但電池在寒冷天氣的敏感性和用戶對(duì)延長(zhǎng)電池壽命的需求推動(dòng)著當(dāng)前技術(shù)不斷突破極限。通過(guò)壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機(jī)械能，可為電池提供高達(dá)10%的輔助壽命。

隨著電阻和電流負(fù)載技術(shù)的不斷優(yōu)化，這些技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)最終可能會(huì)讓ULP MCU器件中不再需要電池。這是一場(chǎng)微型電池開(kāi)發(fā)與增強(qiáng)動(dòng)力之間的競(jìng)賽，無(wú)論哪種方式，消費(fèi)者都是最后的贏家。

作者介紹

Adam Kimmel

擁有近20年執(zhí)業(yè)工程師、研發(fā)經(jīng)理和工程內(nèi)容撰稿人經(jīng)驗(yàn)。他編寫過(guò)白皮書、網(wǎng)站副本、案例研究以及博客文章，內(nèi)容涉及汽車、工業(yè)/制造業(yè)、科技和電子等垂直市場(chǎng)。Adam擁有化學(xué)和機(jī)械工程學(xué)位，并且是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼總負(fù)責(zé)人。