利用环境能量实现低功耗应用

这是一个能量收集应用的繁荣时代。美国政府对清洁能源的投资以及私营企业在清洁能源生产、电动汽车和电池、清洁发电等领域的 4000 亿美元投资备受关注^。而物联网、可穿戴设备和植入物等生物医学设备的低功耗能量收集应用的新兴市场，则较少为人所知^。ii

对高效、可靠和紧凑的储能应用的需求，凸显了利用环境能量在替代或补充低功率设备的可充电电池方面的潜力。这种能量收集应用有望实现无限期运行而无需更换电池，从而大大减少生态浪费。

收集的太阳能可以为可穿戴设备、通信设备、远程或难以触及的传感器以及零售、工业和住宅环境中的各种智能设备供电。但设计者还可以利用其他环境能量源，包括温度变化、运动、振动、无线电波和声学声音。

克服设计挑战

尺寸和电源管理是设计移动、远程和无人值守设备的关键挑战。在许多情况下，无线连接同样具有挑战性。然而，在必要的电子元件的集成和小型化方面不断取得进展，使开发人员能够减少设备占用空间并优化成本。

确定合适的能量源并优化电力消耗，是开发成功应用的关键所在。根据预期环境和用途，外形和美观度会有很大差异。

消费设备必须具有美观、吸引人的外形，并满足高可用性标准才能获得市场成功。工业和远程设备受外形美观和影响较小，但可能必须达到更高水平的功能和互操作性。

低功耗设计的实施主要取决于能否通过使用合适的组件和软件来最大限度地降低能耗。此外，还可能依赖于最大限度地从能量源中提取能量。理想情况下，应用可以收集比消耗更多的能量，以实现的能量的完全自主。

高性能能量收集 PMIC

Nexperia 提供为持续利用环境能量而设计的电源管理集成电路 (PMIC)。NEH2000BY （图 1）解决了能量收集过程中的典型取舍问题，既能实现设备的高性能，又不影响能量效率。

图 1：Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 针对低功耗设备的环境能量收集进行了优化。（图片来源：Nexperia）

Nexperia PMIC 使用最大功率点跟踪 (MPPT) 自适应算法来优化来自环境源的能量传输并确保高转换率。NEH2000BY MPPT 算法无需预先编程即可自主运行，实现高达 80% 的最佳平均转换效率，并在 0.5 秒内完成调节。

对于从事或探索太阳能电池板和风力涡轮机优化的开发人员来说，无疑很熟悉 MPPT，但它也可以用于收集如热、振动和无线电信号等其他环境能量源的应用。MPPT 持续监测电压和电流以确定最佳功率，并调整负载以使输出与应用要求相匹配。

NEH2000BY 采用“爬山”算法，可适应不断变化的环境并确保最高效率，而不受能量波动的影响。PMIC 针对光伏应用进行了优化，可与使用 2.5 V 至 4.5 V 储能元件的各种能量收集设备配合使用，并兼容各种类型的可充电电池以及无电池设计兼容。

有了 Nexperia PMIC，设计人员就能让应用用上集成的高效、低功耗 DC-DC 转换器，无需添加转换器和笨重的外部电感器。该器件只需要一个外部电容器，从而简化了印刷电路板 (PCB) 布局并减少了应用的物料清单。

Nexperia 称，该 PMIC 采用 3 mm x 3 mm 塑料散热增强型极薄四方扁平封装 (HWQFN)，所需总装配面积仅为 12 mm。这使得设计尺寸仅为现有解决方案的 1/20。

参考设计平台

产品设计师可以采用能体现 Nexperia 和 Ambiq 之间合作的参考设计平台来进行原型开发、测试能量收集应用。

Ambiq harvestKIT AMA3BHARV1 （图 2）结合了基于 Nexperia 的 NEH2000BY PMIC 的 Clik 模块、Ambiq 的 Apollo3 Blue SoC 以及来自 TDK InvenSense 和 Bosch Sensortec 的低功耗 1.8 V 定制 Click 传感器模块。

图 2：Ambiq 的 harvestKit AMA3BHARV1 配备了采用 Nexperia 能量收集 PMIC 的 Click 模块，以及运动和环境传感器模块。（图片来源：Ambiq）

harvestKIT 可通过 Nexperia 的微机电系统 (MEMS) 运动传感器和环境传感器进行能量收集。Apollo3 Blue SoC 集成了低功耗蓝牙 (BLE) 5。额外的扩展插座可以支持其他传感器和连接模块，例如 Wi-Fi 或显示器。

这些组件可以驱动那些整合了低功耗能量收集与温度、湿度、运动和压力监测等输入的应用。

开发人员可以利用参考设计进行一系列原型开发，通过收集能量来延长电池寿命，或者通过加入超级电容器或其他储能组件来避免使用电池。

Apollo3 Blue SoC 采用 Ambiq 亚阈值功率优化 (SPOT)专利技术来管理收集的能量，并高效处理低功耗应用。参考平台固件将原始传感器数据发送到在手机、平板电脑或个人电脑上的 Chromium 网络浏览器上运行的网络应用程序。

结语

Nexperia 的 PMIC 为下一代节能应用提供了极具吸引力的的设计选择。通过利用太阳能和集成先进的传感器模块，开发人员可以构建创新型解决方案，显著延长电池寿命，甚至可能完全不需要使用电池。Nexperia 与 Ambiq 的 harvestKIT AMA3BHARV1 参考设计的合作，为尖端的低功耗管理和处理应用提供了原型设计和测试平台，满足了对可持续和高效电子设备日益增长的需求。

[i] https://www.whitehouse.gov/briefing-room/blog/2024/07/01/building-a-thriving-clean-energy-economy-in-2023-and-beyond-a-six-month-update/

[ii]https://link.springer.com/article/10.1007/s13246-024-01382-4