不靠電池供電的超低功耗MCU將會如何？答案令人吃驚

/ 能量收集 /

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

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)、無線傳感器和其他需要延長電池使用壽命的邊緣應用中。接下來我們將介紹下能量收集在實踐中的工作原理，這有助于理解能量收集對ULP MCU的價值。

01、能量收集的工作原理

原則上來說，能量收集是一個簡單的概念。它要解決的問題是主要能源（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，但這些能量無法100%轉(zhuǎn)換為可用能量。這也是風力渦輪機成為大型可再生能源的原因。渦輪機從風中接收勢能，使葉片圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子與發(fā)電機相連產(chǎn)生電能。其他大規(guī)模環(huán)境能源包括太陽能、海浪和地熱等。

可穿戴設備和無線傳感器等較小尺寸的技術(shù)產(chǎn)品可以收集動能、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制將源功率轉(zhuǎn)換為可用能量。每種能源的效用和實用性都是重要的考慮因素，因為具體應用可能會限制能量轉(zhuǎn)換所需設備的尺寸和質(zhì)量。

熱輻射對無線傳感器很有用，因為傳感器的設計和放置可同時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自柏油路的輻射熱。而其他傳感器則可以利用來自高振動位置（例如靠近車輪或發(fā)動機部件）的動能。對于超低功耗MCU，從人類用戶的運動中回收的動能是目前非常實用的可轉(zhuǎn)換能量形式。

02、超低功耗MCU的機遇

由于ULP MCU的主要應用是可穿戴技術(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)，因為電池所用的材料不易回收。ULP MCU能量收集器通過壓電、電磁或摩擦電發(fā)電機捕獲動（機械）能。

壓電

“壓電”一詞源自希臘語，意為擠壓或按壓。動能壓縮壓電材料，產(chǎn)生電場。工程師根據(jù)預期的機械負載和電場密度選擇材料，并平衡其功率貢獻潛力與材料特性，這些特性會在電場存在時使材料變形。這些相互競爭的因素使設計人員能夠優(yōu)化能量收集器對反復增加主電池功率所做的貢獻。一些估計表明，動力運動平均可為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。無線電、紅外線、紫外線和微波通過空氣攜帶輻射能。環(huán)境電磁波使磁場中的結(jié)構(gòu)振動，通過特定尺寸的磁鐵和氣隙設計將機械振動能轉(zhuǎn)換為電能。這種方法能為系統(tǒng)貢獻大約0.3mW的收集功率。

摩擦電納米發(fā)電機

ULP MCU的最終轉(zhuǎn)換介質(zhì)是摩擦電納米發(fā)電機 (TENG)。該技術(shù)將[不同]材料應用于承受機械運動（如旋轉(zhuǎn)、振動、擺動和膨脹/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。這種方法提供的補充功率是壓電的十分之一，大約為1-1.5mW。

03、結(jié)語

對于可穿戴技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡，超低功耗MCU的日常應用大概消耗數(shù)十毫瓦的功率。鋰離子電池是以合適的時長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延長電池壽命的需求推動著當前技術(shù)不斷突破極限。通過壓電、電磁輻射和摩擦電源收集機械能，可為電池提供高達10%的輔助壽命。

隨著電阻和電流負載技術(shù)的不斷優(yōu)化，這些技術(shù)的持續(xù)改進最終可能會讓ULP MCU器件中不再需要電池。這是一場微型電池開發(fā)與增強動力之間的競賽，無論哪種方式，消費者都是最后的贏家。

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。他編寫過白皮書、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。Adam擁有化學和機械工程學位，并且是工程和技術(shù)內(nèi)容寫作公司ASK Consulting Solutions, LLC的創(chuàng)始人兼總負責人。