【導讀】許xu多duo無wu法fa連lian接jie市shi電dian的de嵌qian入ru式shi係xi統tong通tong常chang會hui采cai用yong電dian池chi供gong電dian，但dan當dang電dian池chi電dian量liang用yong完wan時shi，更geng換huan電dian池chi的de維wei護hu成cheng本ben相xiang對dui較jiao高gao，並bing造zao成cheng相xiang當dang多duo的de困kun擾rao
，若ruo能neng通tong過guo能neng量liang收shou集ji技ji術shu來lai為wei係xi統tong永yong續xu供gong電dian，便bian可ke解jie決jue這zhe個ge問wen題ti。本ben文wen將jiang為wei您nin介jie紹shao如ru何he利li用yong能neng量liang收shou集ji技ji術shu來lai建jian立li永yong久jiu運yun行xing的de嵌qian入ru式shi係xi統tong，以yi及ji由youSilicon Labs（芯科科技）推出的相關解決方案。

許xu多duo無wu法fa連lian接jie市shi電dian的de嵌qian入ru式shi係xi統tong通tong常chang會hui采cai用yong電dian池chi供gong電dian，但dan當dang電dian池chi電dian量liang用yong完wan時shi，更geng換huan電dian池chi的de維wei護hu成cheng本ben相xiang對dui較jiao高gao，並bing造zao成cheng相xiang當dang多duo的de困kun擾rao

，若ruo能neng通tong過guo能neng量liang收shou集ji技ji術shu來lai為wei係xi統tong永yong續xu供gong電dian
，便bian可ke解jie決jue這zhe個ge問wen題ti。本ben文wen將jiang為wei您nin介jie紹shao如ru何he利li用yong能neng量liang收shou集ji技ji術shu來lai建jian立li永yong久jiu運yun行xing的de嵌qian入ru式shi係xi統tong，以yi及ji由youSilicon Labs（芯科科技）推出的相關解決方案。

追求實現永久運行的能量收集係統

能neng量liang收shou集ji技ji術shu正zheng在zai迅xun速su成cheng為wei嵌qian入ru式shi係xi統tong設she計ji人ren員yuan的de可ke行xing電dian源yuan選xuan擇ze
，使shi無wu線xian傳chuan感gan器qi能neng夠gou用yong於yu以yi前qian傳chuan統tong電dian池chi供gong電dian設she計ji無wu法fa實shi現xian的de應ying用yong。例li如ru，能neng量liang收shou集ji電dian源yuan使shi係xi統tong設she計ji人ren員yuan能neng夠gou輕qing鬆song構gou建jian範fan圍wei超chao過guo100米
、使用壽命超過20年的超薄無線傳感器。

nengliangshoujixitongdezuizhongmubiaoshishixianyongjiuyunxing，nengliangshoujixitongkeyitongguoquebaoshoujidaodenengliang，nenggoumanzuhuochaoguoxitongzaiyunxingqijianxiaohaodenenglianglaishixianyongjiuyunxing。nengyuanguanlishishejinengliangshoujixitongdeyigeguanjianfangmian，diyibushiquedingcaijiqidekeyonggonglvshuchu，nengliangcaijiqikejiangtaiyangneng
、機械能或熱能轉化為電能。太陽能采集器具有最高的功率密度，能夠采集15 mW/cm2的表麵積，最大化能量收集器的輸出功率，對於構建強大的能量收集係統至關重要。

在zai設she計ji能neng量liang收shou集ji係xi統tong時shi最zui重zhong要yao的de是shi提ti供gong足zu夠gou的de功gong能neng和he最zui小xiao化hua嵌qian入ru式shi係xi統tong的de功gong耗hao，通tong過guo選xuan擇ze具ju有you低di泄xie漏lou規gui格ge的de元yuan器qi件jian，並bing使shi用yong超chao低di功gong耗hao微wei控kong製zhi器qi（MCU）（例如Silicon Labs的Si10xx無線MCU）
，可以實現低功耗。大多數用於在電池供電係統中實現低功耗操作的技術
，都可用於最大限度地減少能量收集係統中的功耗。

讓我們看一個太陽能無線傳感器節點的示例，該節點每20分鍾以10 µA的平均電流傳輸數據。該係統配備了太陽能電池板，可在白天提供50 µA的連續電流。白天可用於給電池充電的淨電流為40 µA，夜間電池以10 µA的速率放電。隻要係統每天暴露在至少4.8小時的日光下，能量收集係統就能實現永久運行。

薄膜電池平衡收獲和消耗的平均功率

能夠實現永久運行的能量收集係統有兩類，每一類的能量存儲機製各不相同。第一種類型需要長時間收集和積累能量
，並使用泄漏極低、gaorongliangdenengliangrongqi，lirubomodianchi。tongguopinghengshouhuodepingjunnenglianghexiaohaodepingjungonglvlaishixianyongjiuyunxing。cileinengliangshoujixitongzuiweilinghuo，tongchanghuizaiduanshijianneibaofagaogonghao。zhexiexitongdabufenshijiandouchuyudigonghaoshuimianmoshi，shizhongtongdianbingsuishishoujinengliang。cileixitongdeyigeshilishitaiyangnengwuxianchuanganqijiedian。

第二種類型的能量收集係統保持在未通電狀態
，直到檢測到能量脈衝、收集能量，並將其存儲在低阻抗能量容器（例如電容器）中(zhong)。短(duan)暫(zan)上(shang)電(dian)複(fu)位(wei)後(hou)
，係(xi)統(tong)使(shi)用(yong)從(cong)能(neng)量(liang)脈(mai)衝(chong)收(shou)集(ji)的(de)有(you)限(xian)能(neng)量(liang)執(zhi)行(xing)必(bi)要(yao)的(de)係(xi)統(tong)功(gong)能(neng)。通(tong)過(guo)平(ping)衡(heng)執(zhi)行(xing)任(ren)務(wu)時(shi)消(xiao)耗(hao)的(de)總(zong)能(neng)量(liang)和(he)單(dan)個(ge)脈(mai)衝(chong)中(zhong)收(shou)獲(huo)的(de)能(neng)量(liang)來(lai)實(shi)現(xian)永(yong)久(jiu)運(yun)行(xing)。此(ci)類(lei)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)例(li)子(zi)是(shi)無(wu)線(xian)燈(deng)具(ju)開(kai)關(guan)
，它(ta)使(shi)用(yong)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)量(liang)
，將(jiang)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)到(dao)位(wei)於(yu)燈(deng)具(ju)處(chu)的(de)接(jie)收(shou)器(qi)。

鈕扣電池
、AA鋰電池和鋰亞硫酰氯電池等傳統電池已在需要長壽命的嵌入式係統中使用多年，薄膜電池的引入為係統設計人員在成本
、chicunheanquanxingzhijianjinxingquanhengchuangzaoleyizhongxindexuanze。youyukaifarenyuanbuduanmianlinjiangdixitongchengbendeyali

，jingjixingniukoudianchisihushijiangdizhizaochengben，yijijiangchanpinkuaisutuixiangshichangdezuijiajiejuefangan。raner，genghuanniukoudianchishihuichanshengyinxingchengben。

如果您認為薄膜電池的總壽命儲能容量超過30個CR2032鈕扣電池，您很快就會得出結論，與更換30個鈕扣電池的成本相比
，薄膜電池的初始成本微乎其微，並超過嵌入式係統生命周期的數倍。

在考慮電池尺寸時
，薄膜電池的外形是所有電池類型中最薄的（小至0.17 mm）。薄膜電池的總壽命容量相當於四節鋰“AA”電池或一節“C”型鋰亞硫酰氯電池，薄膜電池非常適合需要超薄外形和長電池壽命的空間有限的嵌入式係統。

此(ci)外(wai)
，薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)不(bu)會(hui)帶(dai)來(lai)與(yu)大(da)型(xing)傳(chuan)統(tong)電(dian)池(chi)相(xiang)關(guan)的(de)安(an)全(quan)問(wen)題(ti)，例(li)如(ru)易(yi)燃(ran)和(he)爆(bao)炸(zha)危(wei)險(xian)。由(you)於(yu)薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)是(shi)可(ke)充(chong)電(dian)的(de)

，因(yin)此(ci)在(zai)任(ren)何(he)給(gei)定(ding)時(shi)間(jian)僅(jin)存(cun)儲(chu)其(qi)總(zong)壽(shou)命(ming)容(rong)量(liang)的(de)一(yi)部(bu)分(fen)
，如(ru)果(guo)電(dian)池(chi)意(yi)外(wai)短(duan)路(lu)或(huo)暴(bao)露(lu)在(zai)極(ji)熱(re)或(huo)明(ming)火(huo)中(zhong)，這(zhe)將(jiang)使(shi)電(dian)池(chi)更(geng)加(jia)安(an)全(quan)。薄(bo)膜(mo)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)廢(fei)物(wu)也(ye)比(bi)大(da)型(xing)傳(chuan)統(tong)電(dian)池(chi)少(shao)得(de)多(duo)
，傳(chuan)統(tong)電(dian)池(chi)通(tong)常(chang)最(zui)終(zhong)被(bei)扔(reng)進(jin)垃(la)圾(ji)填(tian)埋(mai)場(chang)而(er)不(bu)是(shi)被(bei)回(hui)收(shou)。

能量收集參考設計加速產品開發設計

dianchigongdiandewulianwangshebeidegonghaoyizhishiyingxiangzhewulianwangshebeiyunxingdeguanjianwenti
，gezhongwuxianbiaozhunbeihoudezuzhi，zhiliyubangzhumanzuxiaofeizheduigailingyudeshebeijiangdigonghaodeqiwang

，Zigbee Green Power便是在設計無線通信時，考慮到能量收集的一個很好的例子。

Silicon Labs和艾睿電子共同開發了一種基於Silicon Labs EFR32MG22片上係統（SoC）的能量收集參考設計，該設計將Zigbee Green Power燈具開關與能量收集電源管理配對。MG22設計用於Zigbee協議
，尺寸緊湊，並擁有先進的安全功能
，使其成為超低功耗終端設備的理想選擇。Silicon Labs亦提供節能型電源管理IC，例如EFP0111
，來提供更佳的電源管理能力。Silicon Labs還可提供MCU
、無線入門套件
，以及提供了強大的開發和調試環境的Simplicity Studio，將可協助客戶快速開發能量收集係統。

該設計的核心組件是能量收集發電機，此參考設計采用了ZF的(de)單(dan)穩(wen)態(tai)發(fa)電(dian)機(ji)模(mo)塊(kuai)。這(zhe)是(shi)一(yi)個(ge)雙(shuang)向(xiang)開(kai)關(guan)發(fa)電(dian)機(ji)
，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)按(an)下(xia)和(he)釋(shi)放(fang)開(kai)關(guan)時(shi)都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)能(neng)量(liang)
，該(gai)開(kai)關(guan)具(ju)有(you)兩(liang)個(ge)磁(ci)極(ji)的(de)磁(ci)鐵(tie)，向(xiang)下(xia)推(tui)動(dong)開(kai)關(guan)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)穿(chuan)過(guo)磁(ci)芯(xin)並(bing)返(fan)回(hui)到(dao)另(ling)一(yi)極(ji)的(de)磁(ci)場(chang)。然(ran)後(hou)，當(dang)用(yong)戶(hu)釋(shi)放(fang)開(kai)關(guan)時(shi)，磁(ci)場(chang)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)並(bing)沿(yan)相(xiang)反(fan)方(fang)向(xiang)穿(chuan)過(guo)核(he)心(xin)
，這(zhe)種(zhong)變(bian)化(hua)的(de)磁(ci)場(chang)會(hui)產(chan)生(sheng)電(dian)流(liu)，這(zhe)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)可(ke)以(yi)收(shou)獲(huo)的(de)能(neng)量(liang)。當(dang)按(an)下(xia)或(huo)釋(shi)放(fang)ZFfadianjishi，gaifadianjihuichanshengjiaoliudianya
，xitongkeyiliyongzhezhongjixienengchanshengdenengliangdakaidengju，qizuizhongmubiaoshizaikaiguanhedengjuzhijianzaibubuxiandeqingkuangxiakeyikaiqiyuguanbidengju。

為物聯網設備供電是一項能源密集型工作，創新無需電池的設備供電新方法將簡化開發並有助於創造更清潔的環境。例如，利用使LED閃爍一次所需的能量就足以傳輸多個RFxinhao。digonghaoguixinpianshejiyuzhenduidigonghaoyingyongeryouhuadewangluoxiangjiehe，jiangweidianyuanguanlidexinshidaidiandingjichu，bingweizhizaoshanghexiaofeizhejiangdijudadechengbenhelangfei。


高性能、低功耗的功率管理解決方案

Silicon Labs推出的EFR32MG22（MG22）係列SoC是經過優化的Zigbee解決方案，可為智能家居傳感器、照明控製以及樓宇和工業自動化等物聯網應用帶來業界領先的能效。

EFR32MG22和EFR32MG22E Zigbee SoC解決方案是Wireless Gecko Series 2平台的一部分。MG22係列提供優化的Zigbee SoC解決方案
，該解決方案融合了帶TrustZone的高性能、低功耗76.8 MHz ARM® Cortex® -M33內核。MG22讓您能夠創建節能應用，而MG22E（“E”表示節能）通過延長電池壽命和支持完全無需電池的設計
，進一步增強了節能優勢。MG22 SoC將超低傳輸和接收功率（+6 dBm下8.2 mA TX，3.9 mA RX）
、1.4 µA深度睡眠模式功率和低功耗外圍器件組合在一起，為使用Zigbee協議的應用（包括Green Power），提供業界領先的節能解決方案。

Silicon Labs的EFP0111GM20節能型電源管理IC（PMIC）則是一款靈活、高效
、多輸出電源管理IC，可為EFR32和EFM32器件提供完整的係統電源、三個輸出電壓導軌和主電池電荷計量功能。EFP0111升壓引導程序PMIC可在1.7至5.2的電壓範圍內運行，靜態電流低至150 nA。EFP0111GM20支持從1.5至5.5伏的多種電池，可在提高EFR32和EFM32功耗效率的同時，為多種不同的電池技術提供靈活性。

Silicon Labs的Si10xx Sub-GHz無線MCU則是將高性能的無線連接技術與超低功耗微控製器處理相結合
，實現5 x 6 mm的小封裝。器件支持的頻段範圍為142至1050 MHz，包括集成的高級數據包處理引擎與鏈路預算高達146 dB的能力。通過減小TX
、RX
、活動和睡眠模式電流，以及支持快速喚醒時間來優化設備
，降低電池支持應用的能耗。Si106x MCU與Si108x器件引腳兼容，閃存容量可在8至64 kB間調整

，並提供穩健的模擬和數字外圍器件，包括ADC、雙比較器、定時器和GPIO。所有器件設計均符合802.15.4g智能計量標準
，且支持全球監管標準，包括FCC、ETSI和ARIB規範。

結語

能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)變(bian)得(de)相(xiang)當(dang)流(liu)行(xing)，並(bing)且(qie)由(you)於(yu)它(ta)為(wei)嵌(qian)入(ru)式(shi)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)許(xu)多(duo)好(hao)處(chu)，預(yu)計(ji)在(zai)未(wei)來(lai)幾(ji)年(nian)將(jiang)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)普(pu)遍(bian)。正(zheng)確(que)設(she)計(ji)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)一(yi)旦(dan)克(ke)服(fu)了(le)最(zui)初(chu)的(de)加(jia)電(dian)重(zhong)置(zhi)，就(jiu)能(neng)夠(gou)永(yong)久(jiu)運(yun)行(xing)。通(tong)過(guo)精(jing)心(xin)的(de)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)
，能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)係(xi)統(tong)的(de)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)可(ke)延(yan)長(chang)至(zhi)20nianyishang。bomodianchiyinqichaobowaixinghedixieloutexingerchangyongyunengliangshoujixitong，wuxuzhudianyuanhuochuantongdekegenghuandianchi，shejikezizhuweichiqianrushixitongdelinghuoxing，chuangzaolexindeyingyongkenengxing，bingweiqianrushixitongkaifakaipilexinlingyu。Silicon Labs推出的MG22係列Zigbee SoC解決方案
、EFP0111GM20節能型電源管理IC與Si10xx Sub-GHz無線MCU
，將能夠為能量收集係統提供優異的能耗控管能力，確保嵌入式係統能夠長時間的運行
，不再有更換電池的困擾。

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