智能IoT装置功率需求不大？能量采集够用吗

智慧型IoT装置市场正出现爆炸性成长，并衍生出健身、医疗、军事和工业应用领域的多种产品。尽管为小电流的IoT/穿戴式装置供电极具挑战性，透过先进的电源转换IC，可让低功率级实现高性能。

在功率范围的低端，存在能量采集系统的毫微功率(nanopower)转换需求，例如物联网(IoT)装置中常见的能量采集系统。在此类系统中，必须使用能够处理非常低功率与电流的电源转换IC。这些功率和电流可能分别低至数十微瓦(mW)和毫微安(nA)。

最新和现成的能量采集(EH)技术，例如振动能量采集产品以及室内或穿戴式太阳光电(PV)电池，在典型作业条件下产生mW级的功率。尽管这一量级的功率或许看似有限，但像无线感测器节点(WSN)等能量采集元件在若干年内持续工作，可能意味着，无论是所提供的能量还是单位能量成本，能量采集产品大致上相当于寿命较长的主电池。

虽然主电池声称能够提供长达10年的寿命，但这在极大程度上取决于从其而来的功率级以及汲取功率的频率。拥有能量采集能力的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。不过，大多数的建置方案都将使用某种环境能量来源作为主电源，而用主电池作为环境能源的补充，当环境能量源消失或中断时切换至主电池。这可被认为是一种"电池寿命延长器"的功能，可为系统提供很长的工作寿命--这接近于电池的工作寿命，对于锂亚硫醯氯(Li-SOCI2)化学电池来说通常约为12年。

当然，能量采集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长的时间。因此，能量采集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。能量采集的可用功率通常很低、可变，而且是不可预测的，所以常常使用连接至采集器和辅助电源的混合结构。辅助电源可能是一块可再充电电池或是一个储存电容器。采集器由于能量供应无限以及功率不足，因而成为系统的能量源。辅助电力储存库(不是电池就是电容器)产生较大的输出功率，但储存较少的能量，在需要时供电，而在其他情况下则定期从能量采集器接收电荷。因此，在没有环境能量可供采集时，辅助电力储存器可用来为下游电子系统或WSN供电。

IoT驱动需求
支援IoT的无线感测器不断迅速增加，提高了专为较低功率无线装置量身订制的小型、精巧和高效率电源转换器需求。最近在物联网领域出现的新兴市场之一，就是穿戴式电子产品市场，从能量采集的角度来看，这个市场尤其令人感兴趣。虽然仍处于萌芽期，但是该市场包括了诸如FitBit、Google Glass和Apple Watch智慧手表等产品。当然，可穿戴技术不仅因应人类需求，还有许多应用也适于动物。近期出现的例子包括超音波斑块治疗、针对马匹的电子马鞍优化，以及为其他动物提供能进行追踪、辨识与诊断等任务的颈圈。

不管是何种应用，此类装置大多需要一个电池作为主电源。然而，对于因应人类需求的应用，似乎不久就会出现可利用太阳能产生电力的材料。您可以把这种材料做成的衣服想像成"电力"套装。在这一研发领域处于前锋的一家公司正在实施欧盟(EU)资助的计划Dephotex，开发出轻量且软性的穿戴式PV材料。很自然地，这种材料本身会将光子转换成电能，然后让使用者穿戴后用于为各种电子装置供电，或者为这些装置的主电池充电，甚至两种功能兼而有之。

IoT的一个明显应用是健康监测，不管是针对医院的病患或是十分重视健康的个人。生物统计资料是衡量人体基本机能的重要资讯，包括体温、脉搏/心率、呼吸速率和血压。这些资料至关重要，因为这些生命征象如果出现不良的变化，或许表示健康状况下降，反之亦然。为了测量这些生物统计资料，医院和诊所中当然配备了齐全、昂贵的装置。不过，想像一下，假如不必去医疗院所就能有效地测量此类生物统计资料，而且不用花费太多，那么能为人们的生活品质带来多大的改善呢？例如在家中或工作场所，可以按照即时健康情况随时地调整生活和行为方式，从而改善健康水准并可能延长甚至挽救生命。

另一个例子也许是使用外骨骼以协助提高截瘫患者的可动性，如图1所示。幸运的是，装置成本大幅降低，以及先进的感测器技术不断进步，使得智慧医疗和健康穿戴式装置得以持续快速增加。这类穿戴式装置包括较简单并可佩戴在身上的‘单一生命征象’测量产品，也包括较复杂和到处都是感测器的人体外骨骼装置。不过，从电源转换IC的角度来看，划分这些穿戴式装置的组成以及为这些装置高效供电也不是什么容易的事。

那么，典型的智慧穿戴式装置运作靠什么驱动呢？可以把它想像成一个微型嵌入式系统。准确地划分其组成显