能量无处不在，能量采集和储存技术其实也并不是很新。但随着物联网的飞速发展，越来越多的应用会用到能量采集技术、能源管理系统和可充电电池，以便能够在整个产品生命周期中持续使用。很多公司都在投入开发能量收集芯片，产生了很多创新技术。目前能量采集都有哪些关键技术？市场发展近况如何？还有哪些技术难题需要克服？近期，ADI公司工业与能源事业部亚太区市场经理张松刚先生接受《电子技术应用》独家采访，对能量采集相关知识和市场情况进行了详细的剖析。

ADI公司工业与能源事业部亚太区市场经理 张松刚

能量采集挑战不少、势头正好

张松刚先生认为，在这个细分领域中，遇到的问题是想要将收集到的能量真正排上用场，既需要解决芯片自身低功耗的问题，还要考虑如何大幅提高转换效率，这对能量采集芯片设计提出了新的挑战。

如何管理与应用微能量？必须积少成多地把它们收集并管理起来，这也涉及到能量存储及减小漏电流的问题，需要有能连续存储并极低漏电流的存储器件，只有漏电流远远小于收集的能量，这些采集来的能量才有可能会被用到；一旦这些采集到的能量集中管理起来后，可以被用来驱动一些短暂或脉冲型的负载；对于那些连续工作的负载就牵扯到另一个问题，低功耗和超低功耗器件，只有这些超低功耗的器件的工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡，微能量采集才能真正被广泛应用。另外被采集的能量都很微弱，能量收集的门槛必须很低。能量的存储也是很关键的，目前大家采用的比较多的是可充电电池或超级电容，怎样提高电池的充电次数、延长电池的寿命以及减小超级电容的漏电都是要解决的关键问题。

随着物联网应用越来越广泛，能量采集市场已经呈现比较好的势头，但还没到大规模启动的阶段。张松刚先生认为，前面提到的技术难题是一方面，另外物联网的应用还没有真正渗透到各行各业。智能楼宇、智慧城市及工业4.0的推动会带动市场的大规模启动。

目前成熟的能量采集方案

在进行能量采集系统设计时另外需要考虑的是不要只采用一种能量采集技术，而要在允许的条件下尽可能采用多种能量采集技术，以保证任何条件下都能正常工作。目前比较成熟的能量采集方案包括了利用太阳能取电及利用电流互感器饱和特性的取电两种能量收集，另外温差及振动取能也开始有一些应用。太阳能的能量采集技术可以在任何有光的场合进行利用，而且该技术目前已经比较成熟，接受度高，可以较快地被应用到产品中。CT（电流互感器）取电由于设计简单很容易实现，已有比较成熟的方案，也有着成熟的市场，特别在电力应用市场。当然，在能量采集技术的发展和普及过程中依旧会存在很多的未知数和挑战，但是随着物联网、可穿戴设备以及其他新兴市场的不断发展，能量采集这一技术会被应用在越来越广泛的领域中。

ADI能量采集解决方案

针对能量采集芯片的挑战，对于大幅提高转换效率很多物理定律及相关材料问题，不是一个很容易解决的问题，大幅度降低芯片自身的功耗及管理好采集到的能量则相对比较容易实现。ADI目前推出了一系列基于太阳能的能量采集芯片--ADP5090/5091/5092，是一款非常好的解决方案。首先它具有极低的功耗（<300nA）并在很低的电压（380mV）下即可启动工作；它可以管理采集到的微能量并给电池（锂电池、薄膜电池、超级电容等）和电容充电，使之达到负载所需的工作电压；内置的LDO可提供稳定的输出电压给MCU及内部ADC参考源可靠工作，并可以支持突发性的射频输出；该芯片支持第二个后备电池，当取电侧没有能量时自动切换到后备电池上；对于如何提高太阳能电池输出的转换效率，该芯片特别设计了MPPT控制功能来保证对电池或超级电容的充电能一直工作在最大功率点上，只需要手表盘大小的太阳能电池板或很普通的CT即可工作。该芯片可以广泛应用于可见光照射下的任何便携式设备、无供电电源的传感器、无线发射模块、可穿戴设备等多种应用中。

应用实例

张松刚先生介绍了一个应用实例，在新兴的电力配电网自动化热潮中，架空型故障指示器是一个非常特殊的产品，它是悬挂在10KV电力线上、没有任何外部供电装置、并能长时间工作的传感设备。在国家电网的新要求中，电流互感器（CT）取电作为了主要的供电方式，并加入了更多的功能要求。针对这些新要求，ADI公司推出了采用能量采集芯片ADP5091的能源管理方案。它可以实现对电流互感器的能量采集，对超级电容的充电管理并支持最大功率点跟踪（MPPT）用来提高充电效率，实现对后续电路（包括MCU）的稳定电源提供及后备电池的管理，并可以支持多种能量源的采集。该方案很好地实现了用一颗芯片管理所有的能量采集、充电及电源管理，并很好地满足了该产品的技术要求。针对国家电网在2016年提出的新要求，ADI用该芯片实现了这些新要求带来的变化，并且做到了成本和尺寸的优化。同时，ADI也在考虑规划下一代产品去改善性能及满足更多的应用的需求。这个方案可以很好地应用在许多无电源供电的传感器、测量单元及无线通讯模块等大量电力应用场合。该系列芯片无论是综合性能、简单实用、性价比高等都具有很大优势。