在ADI公司總裁兼首席執(zhí)行官Vincent Roche最新發(fā)表的新年產(chǎn)業(yè)趨勢展望《這些創(chuàng)新將影響我們2018年的生活》中，他將傳感器的應用普及作為五大熱點趨勢之一--無線傳感器網(wǎng)絡無處不在正在成為可能，通過無線mesh網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應用中部署，無需大量重新布線即可在現(xiàn)有系統(tǒng)中添加傳感功能。有意思的是，無線傳感器的普及也正在帶動了另外一個應用走強--能量采集在中國及全球市場發(fā)展勢頭火熱。
“其他有利因素包括物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、工業(yè)2025、節(jié)能環(huán)保等國家層面的驅動與投資，而新技術、新器件的推廣以及眾多大型企業(yè)的研發(fā)投入也是有利的因素。”對能量采集應用走強的原因，ADI公司工業(yè)與能源事業(yè)部亞太市場經(jīng)理張松剛補充道。除了無線傳感器網(wǎng)絡以及物聯(lián)網(wǎng)應用，能量采集還廣泛用于消費電子設備中，比如便攜式設備和可穿戴設備。
克服應用技術難點，原來能量采集市場一片藍
在這個細分領域中，如何將收集到的能量真正派上用場其實有極高的門檻--既需要滿足芯片自身極低功耗的要求，還要考慮大幅提高轉換效率，以及如何管理與應用微能量。“主要挑戰(zhàn)包括多種電源技術的集成，像超低漏電流和超低功耗設計，低電壓低電流啟動、充放電管理、大電流泄放、多電源協(xié)調工作，等等。”張松剛指出，“特別是需要有能連續(xù)存儲并極低漏電流的存儲器件，只有漏電流遠遠小于收集的能量，這些采集來的能量才有可能會被用到。”一旦這些采集到的能量集中管理起來后，可以被用來驅動一些短暫或脈沖型的負載。
不同的能量來源和不同應用所需的能量要求
“微弱能量采集一直以來并沒有得到真正的廣泛應用，最大的原因可能是大家不能深入理解能量采集是一個綜合性系統(tǒng)，需要結合各種因素才能產(chǎn)品化。” 張松剛認為，“幸運的是，過去數(shù)年內電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代和能耗都有了進步，很多電源管理集成電路均針對能量采集應用而專門設計，因此5到10年前不可行的很多應用現(xiàn)在都得以實現(xiàn)且經(jīng)濟實惠。”據(jù)張松剛指出，當前的很多系統(tǒng)支持更小的采集器或者實現(xiàn)數(shù)年前無法設計出來的能量采集解決方案，很多系統(tǒng)設計人員的能量采集應用想法正在實施中，不久之后相信就能見證他們的實現(xiàn)并獲得極大的環(huán)境和經(jīng)濟意義。
ADI非常看好能量采集應用的市場需求，在該領域擁有豐富的技術經(jīng)驗和應用案例，目前主要的能量采集解決方案是芯片級高度集成的ADP5091/92。“作為業(yè)界領先的一款專門用于能量采集的電源管理芯片，ADP5091/92已經(jīng)廣泛應用與多種能量源的采集，像太陽能、電磁能（電流互感器）、溫差熱能、壓電、靜電電荷等。”張松剛表示。
智能集成式能量采集方案領銜技術應用創(chuàng)新
不同應用場景能量采集通常有以下來源，最常見的是光伏、熱電、電磁、壓電和RF。光伏和熱電采集器產(chǎn)生直流電壓，而電磁、壓電和RF采集器產(chǎn)生交變電壓或交流電壓，這便使得電源轉換技術的要求稍有不同。ADP5091/ ADP5092智能集成式能量采集電源管理解決方案充分滿足了這些應用的需求，既考慮了自身極低的功耗（nA級）、極低的能量采集啟動門檻、最大功率點跟蹤，以及多電源控制、價格合理和設計簡便性。
ADP5091/ ADP5092智能集成式能量采集電源管理解決方案
通過ADP5091/ ADP5092收集到的能量可對儲能元件（如可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容和傳統(tǒng)電容）進行充電，并對小型電子設備和無電池系統(tǒng)上電，可以采集能量從16uW到600 mW范圍的高效轉換，利用內部冷啟動電路，調節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內正常工作。額外的150mA調節(jié)輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。而可重復充電的電池種類有鋰電池/磷酸鋰鐵電池/超級電容等，這些電池電壓從3.2V到5V，而ADP5091/ ADP5092的充電截止電壓為2.2V到5.2V，完全可以滿足目前市場上常用的電池種類及應用。
“過去很多時候常出現(xiàn)的尷尬是，設計人員的工作和精力花費在評估能量采集解決方案上，最后卻發(fā)現(xiàn)所采集的能量不足以為特定系統(tǒng)供電。”張松剛指出。對此，他認為能量采集應用工程師需要重點考慮幾個方面：首先需要考慮選擇超低功耗的器件保證整體靜態(tài)功耗相對較低，儲能器件要選擇漏電電流小的；其次是取能電路的拓撲結構和效率，盡可能讓取能電路工作在最大功率點上或區(qū)間內、最大效率利用好儲能器件；在軟件上，主要要關注能量使用的頻度和協(xié)議的選擇，大部分的能量采集系統(tǒng)會使用短距離無線收發(fā)，選擇合適的無線傳輸協(xié)議是工程師要重點考慮的因素，同時要精確計算收發(fā)頻度及次數(shù)、每次收發(fā)消耗的能量、平均耗能等因素；最后，要綜合所有因素從系統(tǒng)層面考慮，合理安排能量分配、多電源管理、系統(tǒng)啟動時間、安全保護、故障處理等因素。
在配電網(wǎng)自動化應用中的故障指示器中大量采用了ADP5091/ ADP5092。
上圖中給出一種在配電網(wǎng)自動化應用的故障指示器應用實例。該設備被安裝在架空線上，在線路正常運行時通過該裝置可以實時監(jiān)測配電網(wǎng)的運行工況，優(yōu)化配電網(wǎng)的運行方式并合理控制用電負荷，在線路發(fā)生故障時快速準確定位故障區(qū)域、并遠傳故障信息。由于該設備是一次性的被安裝在架空線上，既沒有供電電源，又不能隨時更換任何內部器件，在加上快速啟動、大電流保護及無線通訊的要求，所以其能量采集及電源管理的設計非常講究。ADI提供的ADP5091/ ADP5092設計方案，大大地簡化了原有的方案，并在能量采集效率、電源管理、成本控制上都有了明顯的優(yōu)化。
能量采集還廣泛應用于室內和戶外多種應用場景。
基于ADP5091/ ADP5092的能量采集demo實驗測試表明，在室內日常照明光源下可以讓太陽能板輸出兩伏左右的電壓，同時對磷酸鋰鐵電池也有2到3個mA的電流來充電，可以直接對MCU或者是傳感器等IC供電。基于此，可以找出大量相關的應用，像室內的觸碰式調光照明遙控器、燈具或空氣質量偵測器(PM2.5/有毒氣體)等，室外應用如地震傳感器或是邊坡傾斜偵測器等應用中，發(fā)射端和接收端就可以使用ADP5091/ ADP5092能源采集IC，降低應用成本并能做到再生能源的綠色利用。