什么是微能量采集？

微能量采集（Energy Harvesting）是一種捕獲環(huán)境中微小、分散的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能，為小型電子設(shè)備供電的技術(shù)，有時(shí)它也被稱(chēng)為環(huán)境發(fā)電。它的核心目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)傳感器、可穿戴設(shè)備等實(shí)現(xiàn)“自供電”或“免維護(hù)”，從而擺脫對(duì)傳統(tǒng)電池和電線(xiàn)的依賴(lài)。

能量收集的能量來(lái)源主要是光能、射頻（RF）能量、溫差能量（TEG）和振動(dòng)能等，電源管理IC將這些能量高效率轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓電壓，或?yàn)殡姵睾?a target="_blank">超級(jí)電容器存儲(chǔ)元件充電，這便是能量收集技術(shù)的基本工作原理。

微能量采集可以應(yīng)用在哪些領(lǐng)域？

在不斷創(chuàng)新的推動(dòng)下，目前能量收集技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)傳感器、工業(yè)設(shè)備、樓宇自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、可穿戴設(shè)備等眾多領(lǐng)域已經(jīng)展開(kāi)應(yīng)用。

為什么選擇微能量采集（而不是電池或電源）

解決電池供電弊端：目前傳感器節(jié)點(diǎn)主要靠干電池供電，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量大幅增長(zhǎng)，電池更換會(huì)造成資源浪費(fèi)、環(huán)境污染，且人工換電池維護(hù)費(fèi)用巨大。

突破終端尺寸限制：在智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧穿戴等場(chǎng)景中，產(chǎn)品小型化已成為趨勢(shì)，部分產(chǎn)品無(wú)多余空間放下常規(guī)電源模組，微能量采集技術(shù)成為了最佳的供能方案。

適應(yīng)極端環(huán)境部署：在人們不長(zhǎng)期活動(dòng)場(chǎng)所（如森林、山丘、沙漠等）和惡劣工作環(huán)境（如橋梁、高空、監(jiān)測(cè)環(huán)境），無(wú)線(xiàn)設(shè)備只能依靠電池供電，能源耗盡后補(bǔ)充能量成本極高，微能量采集技術(shù)可避免這一問(wèn)題。

微能量采集是普通太陽(yáng)能光伏的縮小版嗎？

并不簡(jiǎn)單是。

首先，對(duì)于普通太陽(yáng)能光伏來(lái)說(shuō)，往往需要較強(qiáng)的太陽(yáng)光照射以及較長(zhǎng)的照射時(shí)間，以產(chǎn)生足夠的能量保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，在光照不足的情況下會(huì)影響設(shè)備的正常運(yùn)營(yíng)。而微能量采集對(duì)于光照的需求大大減少，只需要弱光環(huán)境即可工作，即使是室內(nèi)燈光、陰雨天、陰影等環(huán)境均可工作。

再次，技術(shù)重心不同：普通太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)在于材料效率、大規(guī)模電力電子和電網(wǎng)穩(wěn)定性；而微能量采集的技術(shù)核心在于超低功耗的電源管理芯片和與之匹配的微功耗傳感與通信技術(shù)。光伏系統(tǒng)是 “開(kāi)源” ，追求總能量產(chǎn)出；微能量采集是 “節(jié)流” ，在極其有限的能量輸入下，需要每一環(huán)節(jié)（采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、消耗）都達(dá)到極致能效。

微能量采集會(huì)產(chǎn)生更多成本嗎？

單純比較物料清單的初始成本，容易陷入誤判：微能量采集方案看似比紐扣電池昂貴。

然而，考慮到更換成本與維護(hù)成本，更換電池所需的人工、差旅及特殊設(shè)備費(fèi)用遠(yuǎn)超電池本身，單次維護(hù)成本可達(dá)數(shù)百元，特別是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等大規(guī)模部署場(chǎng)景中，或者在人力不便到達(dá)的地方。延長(zhǎng)了使用周期就是在有效節(jié)省成本。并且，微能量采集裝置的設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)20年以上，遠(yuǎn)超電池的3-6年。

因此，盡管前期投入較高，但微能量采集能通過(guò)免維護(hù)、延長(zhǎng)使用周期來(lái)顯著降低長(zhǎng)期總成本，并在環(huán)保與可持續(xù)運(yùn)營(yíng)層面創(chuàng)造更大價(jià)值。

微能量采集商業(yè)化了嗎？

初次了解微能量采集，也許會(huì)誤解微能量采集只是一個(gè)學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)不然。微能量采集技術(shù)早已走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和商業(yè)化階段。德州儀器 (Texas Instruments) 和亞德諾半導(dǎo)體 ( Analog Devices）等公司早已將 EH（能量采集） PMIC 解決方案投放市場(chǎng)已有大約二十年。

2024年，廣義的能量采集系統(tǒng)（包含傳感器和模組）市場(chǎng)規(guī)模約為14.7億美元 ，而專(zhuān)注于PMIC的細(xì)分市場(chǎng)規(guī)模估值在5.5億至7.75億美元之間 。預(yù)計(jì)到2030-2034年，市場(chǎng)規(guī)模將突破19.8億美元至36.2億美元。

微能量采集的可行性

隨著傳感器等器件功耗降低，以及電源管理IC技術(shù)突破，2011年后微能量收集技術(shù)收集的能量已能滿(mǎn)足消耗。以微能量采集藍(lán)牙遙控器為例：

按照最高使用頻率計(jì)算，預(yù)估一天使用遙控器10分鐘，使用功耗3mA；待機(jī)時(shí)間23小時(shí)50分鐘，使用功耗0.5μA，一天24小時(shí)該產(chǎn)品約耗能510μAh。

保守預(yù)估白天室內(nèi)平均照度在500Lux左右，持續(xù)9小時(shí)；照度200Lux左右的燈光持續(xù)4小時(shí)；照度在50Lux以下的黑暗時(shí)期持續(xù)11小時(shí)（此時(shí)不計(jì)入采集時(shí)間），合計(jì)可采集825μAh的能量，可以滿(mǎn)足藍(lán)牙模組的負(fù)載工作，

微能量采集的系統(tǒng)由哪些模塊組成？

從本質(zhì)上講，能量收集分三個(gè)步驟：收集、調(diào)節(jié)和儲(chǔ)存。換能器（如太陽(yáng)能電池板、溫差發(fā)電片、按壓發(fā)電模塊和振動(dòng)發(fā)電模塊）從能量源（如環(huán)境光、熱、振動(dòng)、壓力、射頻等）捕獲能量并輸出電能，電源管理IC從換能器獲取電能，將能量輸送給存儲(chǔ)設(shè)備（鋰電池、超級(jí)電容等），并為不同的負(fù)載提供穩(wěn)定的工作電壓。

微能量系統(tǒng)的核心是什么？

在微能量采集的系統(tǒng)中，中間的電源管理IC起到了承上啟下的作用，將能量收集器與儲(chǔ)能電池連接起來(lái)?？梢哉f(shuō)，PMIC（電源管理芯片）是能量采集系統(tǒng)不可或缺的“大腦”和“心臟”。電源管理IC的性能好壞，決定了這套系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換、收集效率的高低。

為什么需要PMIC（電源管理芯片）？

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，環(huán)境中的能量（如光、熱、振動(dòng)）通常是微弱、不穩(wěn)定且難以直接使用的，而電子設(shè)備（如傳感器、單片機(jī)）需要穩(wěn)定、純凈的電壓。PMIC 的核心作用就是在這兩者之間架起一座橋梁，把“原始的臟能量”轉(zhuǎn)化為“可用的標(biāo)準(zhǔn)電源”：

最大化能量提?。∕PPT 技術(shù)）

能量收集源（如太陽(yáng)能板）的輸出特性是非線(xiàn)性的。當(dāng)光照變化時(shí)，它們能輸出最大功率的電壓點(diǎn)也會(huì)隨之變化。如果直接連接負(fù)載，大部分能量會(huì)被浪費(fèi)掉。PMIC 內(nèi)部集成了最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT, Maximum Power Point Tracking），能使能量采集器始終工作在效率最高的那個(gè)點(diǎn)上。

支持極低電壓的“冷啟動(dòng)” (Cold Start)

很多環(huán)境能量源的輸出電壓極低。如下圖所示為某太陽(yáng)能光伏板在低于500Lux下照度的開(kāi)路電壓變化，由圖可見(jiàn)該光伏板在低照度下的開(kāi)路電壓極小，在100Lux下甚至小于500mV，普通的芯片無(wú)法在這么低的電壓下啟動(dòng)工作。而能量收集PMIC可以在極低的電壓下實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)，即在它的支持下，整個(gè)系統(tǒng)足以在低照度環(huán)境下正常工作。

儲(chǔ)能管理 (Energy Storage Management)

能量收集通常是“靠天吃飯”，有光才有電，但設(shè)備可能需要 24 小時(shí)工作。PMIC充當(dāng)了智能管家的角色，管理儲(chǔ)能元件（如鋰電池、超級(jí)電容）：

? 間歇式充電： 當(dāng)環(huán)境能量充足時(shí)，優(yōu)先給電池/電容充電。

? 后備切換： 當(dāng)環(huán)境能量消失（如晚上），自動(dòng)無(wú)縫切換到電池供電。

? 保護(hù)機(jī)制： 防止電池過(guò)充或過(guò)放，這對(duì)于微安級(jí)（μA）的小電池尤為重要。

自能量收集芯片誕生以來(lái)，國(guó)內(nèi)在這一方向上一直未推出成熟的芯片解決方案。究其根源，設(shè)計(jì)一款高性能的能量收集與管理芯片，不僅需要嚴(yán)格控制芯片自身功耗，還必須同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的Boost-Buck轉(zhuǎn)換效率、冷啟動(dòng)電路效能，并降低啟動(dòng)電壓，并非朝夕之功。近年，國(guó)內(nèi)廠商如米德方格通過(guò)技術(shù)攻堅(jiān)，已推出多款能量收集PMIC，成功應(yīng)用于各類(lèi)低功耗產(chǎn)品領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇