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(yīng)用普及作為五大熱點(diǎn)趨勢之一--無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無處不在正在成為可能，通過無線mesh網(wǎng)絡(luò)在物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)應(yīng)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(yīng)用走強(qiáng)--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(qū)動與投資，而新技術(shù)、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(yīng)用走強(qiáng)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(bǔ)充道。除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，能量采集還廣泛用于消費(fèi)電子設(shè)備中，比如便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備。
克服應(yīng)用技術(shù)難點(diǎn)，原來能量采集市場一片藍(lán)
在這個細(xì)分領(lǐng)域中，如何將收集到的能量真正派上用場其實(shí)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(zhuǎn)換效率，以及如何管理與應(yīng)用微能量。“主要挑戰(zhàn)包括多種電源技術(shù)的集成，像超低漏電流和超低功耗設(shè)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(diào)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qū)動一些短暫或脈沖型的負(fù)載。
不同的能量來源和不同應(yīng)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(yīng)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(jié)合各種因素才能產(chǎn)品化。” 張松剛認(rèn)為，“幸運(yùn)的是，過去數(shù)年內(nèi)電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代和能耗都有了進(jìn)步，很多電源管理集成電路均針對能量采集應(yīng)用而專門設(shè)計，因此5到10年前不可行的很多應(yīng)用現(xiàn)在都得以實(shí)現(xiàn)且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。”據(jù)張松剛指出，當(dāng)前的很多系統(tǒng)支持更小的采集器或者實(shí)現(xiàn)數(shù)年前無法設(shè)計出來的能量采集解決方案，很多系統(tǒng)設(shè)計人員的能量采集應(yīng)用想法正在實(shí)施中，不久之后相信就能見證他們的實(shí)現(xiàn)并獲得極大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)意義。
ADI非常看好能量采集應(yīng)用的市場需求，在該領(lǐng)域擁有豐富的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和應(yīng)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(lǐng)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(yīng)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(lǐng)銜技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新
不同應(yīng)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(zhuǎn)換技術(shù)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(yīng)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(diǎn)跟蹤，以及多電源控制、價格合理和設(shè)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(jìn)行充電，并對小型電子設(shè)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(zhuǎn)換，利用內(nèi)部冷啟動電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。額外的150mA調(diào)節(jié)輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。而可重復(fù)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(yīng)用。
“過去很多時候常出現(xiàn)的尷尬是，設(shè)計人員的工作和精力花費(fèi)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(rèn)為能量采集應(yīng)用工程師需要重點(diǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)和效率，盡可能讓取能電路工作在最大功率點(diǎn)上或區(qū)間內(nèi)、最大效率利用好儲能器件；在軟件上，主要要關(guān)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(diǎn)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(hù)、故障處理等因素。
在配電網(wǎng)自動化應(yīng)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(yīng)用的故障指示器應(yīng)用實(shí)例。該設(shè)備被安裝在架空線上，在線路正常運(yùn)行時通過該裝置可以實(shí)時監(jiān)測配電網(wǎng)的運(yùn)行工況，優(yōu)化配電網(wǎng)的運(yùn)行方式并合理控制用電負(fù)荷，在線路發(fā)生故障時快速準(zhǔn)確定位故障區(qū)域、并遠(yuǎn)傳故障信息。由于該設(shè)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(nèi)部器件，在加上快速啟動、大電流保護(hù)及無線通訊的要求，所以其能量采集及電源管理的設(shè)計非常講究。ADI提供的ADP5091/ ADP5092設(shè)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(yīng)用于室內(nèi)和戶外多種應(yīng)用場景。
基于ADP5091/ ADP5092的能量采集demo實(shí)驗(yàn)測試表明，在室內(nèi)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(guān)的應(yīng)用，像室內(nèi)的觸碰式調(diào)光照明遙控器、燈具或空氣質(zhì)量偵測器(PM2.5/有毒氣體)等，室外應(yīng)用如地震傳感器或是邊坡傾斜偵測器等應(yīng)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(yīng)用成本并能做到再生能源的綠色利用。