不靠电池供电的超低功耗MCU将会如何？答案令人吃惊

作者：Adam Kimmel

效率的重要性与生俱来。通过利用效率优势让额外资源的支出发挥出更大价值，可以提高性能，尽量降低成本并减少浪费。能量收集提供了一种利用环境能量为电气设备供电的方法。对于使用电池的设备，能量收集可以延长电池的使用寿命或完全替代电池的能量贡献。

超低功耗 (ULP) MCU是能量收集的合理选择。这些器件常用于可穿戴技术、无线传感器和其他需要延长电池使用寿命的边缘应用中。接下来我们将介绍下能量收集在实践中的工作原理，这有助于理解能量收集对ULP MCU的价值。

1. 能量收集的工作原理

原则上来说，能量收集是一个简单的概念。它要解决的问题是主要能源（电池、燃料、电网）数量有限。而且，尽管有取之不竭的环境能量可供捕获，但这些能量无法100%转换为可用能量。这也是风力涡轮机成为大型可再生能源的原因。涡轮机从风中接收势能，使叶片围绕转子旋转，而转子与发电机相连产生电能。其他大规模环境能源包括太阳能、海浪和地热等。
可穿戴设备和无线传感器等较小尺寸的技术产品可以收集动能、热能或环境电磁辐射能。这些能量形式的每一种都使用不同的机制将源功率转换为可用能量。每种能源的效用和实用性都是重要的考虑因素，因为具体应用可能会限制能量转换所需设备的尺寸和质量。

热辐射对无线传感器很有用，因为传感器的设计和放置可同时利用两种形式的能源。在车上，靠近道路的传感器可以接受来自柏油路的辐射热。而其他传感器则可以利用来自高振动位置（例如靠近车轮或发动机部件）的动能。对于超低功耗MCU，从人类用户的运动中回收的动能是目前非常实用的可转换能量形式。

2. 超低功耗MCU的机遇

由于ULP MCU的主要应用是可穿戴技术，因此以极低的系统功耗处理边缘数据至关重要。能量收集减少了对可穿戴技术电池的能量需求，电池的能量有限，需要在电量耗尽后定期充电或更换。电池的废弃处理也存在挑战，因为电池所用的材料不易回收。ULP MCU能量收集器通过压电、电磁或摩擦电发电机捕获动（机械）能。

压电

“压电”一词源自希腊语，意为挤压或按压。动能压缩压电材料，产生电场。工程师根据预期的机械负载和电场密度选择材料，并平衡其功率贡献潜力与材料特性，这些特性会在电场存在时使材料变形。这些相互竞争的因素使设计人员能够优化能量收集器对反复增加主电池功率所做的贡献。一些估计表明，动力运动平均可为ULP MCU的主电源增加10mW。

电磁辐射

另一种用于小型MCU的能量收集技术是电磁辐射。无线电、红外线、紫外线和微波通过空气携带辐射能。环境电磁波使磁场中的结构振动，通过特定尺寸的磁铁和气隙设计将机械振动能转换为电能。这种方法能为系统贡献大约0.3mW的收集功率。

摩擦电纳米发电机

ULP MCU的最终转换介质是摩擦电纳米发电机 (TENG)。该技术将[不同]材料应用于承受机械运动（如旋转、振动、摆动和膨胀/收缩）摩擦的表面。电极支撑这些材料，回收由材料摩擦产生的电荷不平衡（静电）所产生的能量。这种方法提供的补充功率是压电的十分之一，大约为1-1.5mW。

结语

对于可穿戴技术和无线传感器网络，超低功耗MCU的日常应用大概消耗数十毫瓦的功率。锂离子电池是以合适的时长提供电力的绝佳选择。但电池在寒冷天气的敏感性和用户对延长电池寿命的需求推动着当前技术不断突破极限。通过压电、电磁辐射和摩擦电源收集机械能，可为电池提供高达10%的辅助寿命。

随着电阻和电流负载技术的不断优化，这些技术的持续改进最终可能会让ULP MCU器件中不再需要电池。这是一场微型电池开发与增强动力之间的竞赛，无论哪种方式，消费者都是最后的赢家。

作者介绍：

Adam Kimmel拥有近20年执业工程师、研发经理和工程内容撰稿人经验。

他编写过白皮书、网站副本、案例研究以及博客文章，内容涉及汽车、工业/制造业、科技和电子等垂直市场。Adam拥有化学和机械工程学位，并且是工程和技术内容写作公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼总负责人。