随着物联网解决方案的不断发展，对能够依靠自然能量运行的低能耗设备的需求也在增长。现在的问题是：能量转换器在采集能量时面临哪些挑战？设备有哪些能量选择？工程师可使用哪些半导体解决方案？
什么是能量采集？
顾名思义，能量采集是收集能量为设备供电的行为。与电池或市电供电的设备不同，能量采集器可以从周围环境中获取能量，因此无需电源连接。虽然能量采集解决方案越来越普遍，但能量采集电路的概念已经存在了几十年。
例如一个配备小型太阳能电池的计算器，可以利用环境光运行。这种计算器自 20 世纪 90 年代就已经出现，且只有在基本计算器芯片和无背光 LCD 显示器的能耗较低的情况下才有可能实现。
对于需要更多功率的设备，能量采集器通常长时间对一个小电容或电池进行涓流充电，当达到特定的电荷或电压时，能量会迅速释放。虽然这仅允许设备在短时间内工作，但允许该设备完全不依赖于任何外部电源（即，可以在最偏远的地方工作）。
由于能量采集器使用的能源通常有限，使用能量采集器的设备一直以来仅具有非常基本的功能。但是，低功耗 SoC（片上系统）和高级电源管理 IC（集成电路）的引入，使得电子器件世界开始将能量采集器作为一种可行的电源。那么，能量采集器面临哪些挑战？存在哪些电源？工程师目前有什么解决方案？
能量从哪里来？
谈到能量采集器，几乎任何自然存在于环境中的能源都有提供能量的潜力。这些能源包括光、风、机械作用、温度、声音和无线电。
光是一种更常见的能源，因为光资源丰富，但不应该与太阳能混淆。太阳能电池板和太阳能电池在暴露于阳光下时用于发电（能量采集器也是如此）；然而，与能量采集器不同的是，当太阳光被遮蔽时，它们实际上就无法工作。然而，光能采集器即使在低光照水平下也能工作，常用于计算器和小型设备中。因此，基于光的能量采集器有机会在人造光（例如，路灯和建筑物灯牌）下甚至晚上工作。此外，能量采集器中使用小尺寸太阳能电池，可轻松集成到设计中，并且没有运转部件，有助于提高在远程位置使用时的可靠性。
风是另一种可以采集的自然能源。像太阳能电池板一样，用于产生大量能量的风力涡轮机和用于单一设备的小型化风力涡轮机之间有着明显的区别。利用风的能量采集器可在由空气对流、穿堂风以及设备扰动空气所引起的微风中运行。然而，即使是微型风能采集器，其尺寸也相当大，因此它们很少投入使用（如果需要风能，可能会使用涡轮机）。
例如压缩、拉伸、弯曲和加速等机械作用也可用作小型设备的能源。通常，压电元件用于将机械力转化为电能（例如门铃和铺装）。可穿戴设备可以通过线圈周围弹簧悬挂的磁铁，从手臂的运动中产生能量。如果设备预计频繁承受机械力，则这种能源是可取的，但运转部件会随着时间的推移而磨损，并且机械能不稳定，难以用作可靠的能源。
只要存在热梯度（即热侧和冷侧），能量采集器也可以提取热能。这通常是通过使用热电偶来实现的，热电偶暴露于热梯度时会产生电压。如果温度梯度稳定，那么它可以成为非常可靠的能源，但热电偶的效率较低，因此实用性不强。由于热电偶是固态的，没有运转部件，因此可以长期可靠地使用。然而，使用专用的 TEG（热电发电机）可以帮助提高从热梯度中获取的能量。
人类活动产生的无线电辐射也为能量采集器提供了一种可行的能源选择。来自 Wi-Fi 路由器、蜂窝网络和无线电台的无线电波都可以用来为设备供电。事实上，位于无线电台附近的晶体收音机可以在不需要任何额外电源的情况下工作。然而，大多数无线电能量来源都非常小，这使得能量采集器很难运行。
功率转换器面临哪些挑战？
虽然能源自然存在于我们周围的环境中，但开发这些能源却是一大挑战。能量采集器必须克服的第一个主要障碍是，自然产生的能源少得惊人。虽然太阳能电池可以产生相当大的电压，但由机械、振动、无线电和声音产生的能量可能只有数纳瓦。鉴于电压和电流都与功率成比例，因此产生的功率所产生的电压或电流将微不足道。
因此，我们遇到了能量采集器面临的第一个主要障碍：能量提取。由于需要正向电压偏置，产生的电压太低的能量收集电路将无法激活半导体元件（例如，硅二极管在观察到 0.6V 的正向电压降时才会导通）。
通过改变能量采集器的性质，可提高电压（例如，为电感增加更多回路或提高能量采集器的输入阻抗），但这会导致电流降低。电流减小意味着电容器或电池充电所需的时间更多，这导致使用与充电之间的比率变小。
如果能量采集器能够克服这一挑战，那么第二个挑战就是可靠地储存这些能量。电容器体积小，可用于储存电荷，并能够对大电流需求做出快速反应；不过，根据所使用的技术，它们可能会有泄露。此外，非理想元件也可能导致充电电路一定程度的固有泄漏。因此，能量采集器必须确保其充电速度快于自然泄漏的放电速度。
能量采集器面临的第三个挑战是确定何时已储存足够的能量，可以用来为设备供电。最简单的方法之一是使用一个已知大小的电容，然后等待电压达到一定水平（这将直接对应于存储的能量），然后将其馈入功率转换器。然而，测量电压这一行为本身就需要能量（假设电压检测电路基于有源元件），而这会阻碍系统的充电速度。
储存正确数量的能量后，最后的挑战就是以合适的电压将能量有效地释放到设备中。虽然线性稳压器在提供无噪声的电源电压方面非常出色，但极其浪费；因此，能量采集器使用开关式稳压器。然而，这些稳压器会给电路带来噪声，这意味着在设计阶段必须非常小心。
总之，能量源的规模通常很小，这意味着能量源和采集器之间的阻抗大小必须合适；电流泄漏意味着必须仔细选择元件；能量采集器的低电压意味着必须选择具有低正向压降的有源元件；并且功率转换器必须尽可能高效。
有些设备有哪些选项？
使用小型硬币电池，可以解决驱动有源组件所需的电力挑战，从而监测当前存储能量。虽然它们的电容极其有限，但足以让监测器组件运行很长一段时间（可能几年）。
这种电池的唯一目的是维持偏置电压，使电源监测电路能够工作，如果使用 MOS 技术，整个设计消耗的电流很小，因此纽扣电池是一种可行的选择。然而，使用电池违背了能量采集的目的，而且电池最终会耗尽，这对远程应用程序来说不是一个好兆头。
在储能方面，电容器由于电阻低、充电和放电速度快、易于集成，因而是理想的选择。然而，超级电容器允许在较低的电压下有更大的存储能力，并且其低电压操作也使其非常适合与低电压能源一起使用。
由于大多数能源都非常小，因此对于工程师而言，将多种能源整合到一个设备中也是非常有利的。例如，一个小型太阳能电池结合热电偶和压电发电机，可以同时从光、声和热中收集能量。这种布置为设备提供了更多的能量选择，同时提高了充电速度。事实上，一些能量采集 IC 具有专用输入，用于连接多个能源。
MAX17710 是以能量采集为设计理念的 IC 示例。该 IC 集成了两个用于不同能源的输入电源选项（一个高压源和一个低压源）、一个升压稳压器，以及一个用于连接微控制器的内部状态机。此外，MAX17710 还设计为与扁平固态电池 THINERGY MEC101 一起使用。这些电池的轻薄性与固态特性相结合，意味着它们结构紧凑、本质安全，非常适合用于纤薄的远程设备。
STMicroelectronics SPV1040 是太阳能电池充电器例子，专门使用 MPPT（最大功率点跟踪器）有效采集能量。本质上，MPPT 允许将太阳能电池的负载点设置为最佳状态，以实现最大的电力传输，SPV1040 利用这一点实现高达 95% 的效率。此外，SPV1040 可以在低至 0.3V（即非常小的电压）的电压下工作。
e-peas AEM30940 是一款专用电能采集 IC，可以在 380 mV 的输入电压和 3 µW 的输入功率下自启动。该 IC 从杂散射频中提取能量，集成一个 MPPT，用于最大限度地提高无线电输入和能量转换器的功率传输；可与所有存储选项一起运行，包括电池、电容器和超级电容器；并可连接到一次电池，实现故障保护运行。此外，AEM30940 集成多个 LDO 稳压器，用于产生许多现代微控制器所需的各种输出电压（例如，1.8V 内核和 3.3V I/O）。
结论
试图从周围环境中提取能量时，能量采集器面临着诸多挑战，包括能量的可用性、检测充电状态的有源元件需求、元件的电流泄漏以及功率转换器所需的高效率。半导体材料的基本限制阻碍了超低电压的操作，而自然产生的能源并不稳定，使得可靠的操作几乎不可能实现。
然而，能源采集已经取得了长足的进步，工程师们也有了一些选择，例如 e-peas AEM30940 和 MAX17710。但是，无论使用何种技术，工程师可以采取的最佳措施是选择能耗极低的微控制器以及具有深度睡眠模式的微控制器。说到底，如果一个设计一开始就只需要很少的能量，就没有必要担心储存大量的能量。