廢棄物與機(jī)會(huì)

「一個(gè)人認(rèn)為沒(méi)有用的垃圾，可能對(duì)另一個(gè)人來(lái)說(shuō)是個(gè)寶藏。」電子行業(yè)花費(fèi)大量的工程周期、費(fèi)用甚至能源來(lái)處理「余熱」，特別是在數(shù)據(jù)中心等一些應(yīng)用，需要大量空間和電力來(lái)解決熱緩解。本文觀點(diǎn)是將此類熱源（以及其他能源）視為能量捕獲或回收的機(jī)會(huì)。

針對(duì)廢棄物的討論總是圍繞在如何才能擺脫它，但如果從潛在能源的角度出發(fā)，處理廢棄物的可能性和方法發(fā)生了徹底變化。無(wú)論是在美國(guó)還是全球，大約三分之二的原始能源屬于「余熱」，這實(shí)際上代表了一個(gè)巨大機(jī)會(huì)，我們將在本文中深入探討。

圖1-突顯「余熱」的美國(guó)整體能源消耗

源與負(fù)載

在之前關(guān)于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 的文章中，我們討論了在可用能量（例如系統(tǒng)電源）和負(fù)載（例如系統(tǒng)功率預(yù)算）之間找到適當(dāng)平衡的重要性，并且重點(diǎn)放在如何減少負(fù)載，而不是簡(jiǎn)單地尋找更大來(lái)源。

讓我們來(lái)快速?gòu)?fù)習(xí)，若能源為分母，系統(tǒng)功率預(yù)算為分子，系統(tǒng)生存能力則是這兩者的拐點(diǎn)，減少分子的速度比增加分母的速度要快得多。換句話說(shuō)，當(dāng)比率 < 1 時(shí)，能量收集變得更有能力，而電子設(shè)備變得不那么耗電。

圖 2-可用功率和系統(tǒng)功率預(yù)算的關(guān)系

圖 3-能量收集中電源與負(fù)載的關(guān)系

這里的關(guān)鍵點(diǎn)是從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，若要讓系統(tǒng)，應(yīng)用可行的話，需仰賴設(shè)計(jì)人員降低系統(tǒng)功耗和智能電源管理 (IPM) 技術(shù)的能力，而不是尋找更大、更密集的電池或更高效的電源轉(zhuǎn)換器。

電池容量大約每十年才會(huì)翻上一倍，而集成電路(IC)甚至微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 傳感器等設(shè)備在提升功能的同時(shí)幾乎可以每隔一年就將功耗減半，這就證明鉆研電源管理比仰賴電池進(jìn)步更為理想。

何謂能量收集？

能量收集 (EH) 是從我們周圍的環(huán)境中捕獲和轉(zhuǎn)換自由的環(huán)境能量。因此，它也被稱為「能量清除」。我們可以收集物理提供給我們的每一種能量，包括：

·太陽(yáng)能（熱能、光伏或PV）；

·動(dòng)力學(xué)（電動(dòng)、振動(dòng)）；

·熱電、壓電（機(jī)械感應(yīng)）；

·射頻或射頻（近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)）；

·摩擦電（靜電）。

任何換能器實(shí)際上都是潛在的 EH 源，但本文將重點(diǎn)介紹 EH 應(yīng)用解決方案。

EH 模態(tài)往往根據(jù)其原生輸出分為 ac 或 dc 的類別。最常見(jiàn)的 dc 類 EH 設(shè)備是 PV 和熱電設(shè)備。最常見(jiàn)的 ac 類 EH 設(shè)備是壓電、RF 和其他機(jī)械動(dòng)態(tài)源，例如振動(dòng)、渦輪和磁驅(qū)動(dòng)電動(dòng)換能器。這些能源都有自身的細(xì)微差異和挑戰(zhàn)，因此要注意電源管理集成電路 (PMIC) 并非萬(wàn)能解藥適用所有的 EH 源。

在過(guò)去的幾十年中，EH 在技術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用方面有很大的進(jìn)步。大約在十年前，尤其是在 IoT/IIoT 出現(xiàn)之前，人們對(duì) EH 技術(shù)有一些常見(jiàn)的誤解。第一個(gè)誤解是 EH 對(duì)任何有用的應(yīng)用產(chǎn)生的電源都可忽略不計(jì)。我們將暫時(shí)深入討論這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗c之前的源與負(fù)載的討論非常接近。

另一個(gè)誤解是 EH 只是一個(gè)學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)，缺乏生產(chǎn)供應(yīng)鏈和能夠支持大量開(kāi)發(fā)的生態(tài)系統(tǒng)。很多 PowerIoT 生態(tài)系統(tǒng)的組成部分（本討論稍后會(huì)詳述）早已存在多年甚至已有幾十年，而且在它們出現(xiàn)之前就來(lái)自于工業(yè)（從新設(shè)立的初創(chuàng)公司到最大的半導(dǎo)體公司），直到現(xiàn)在才被廣為人知或利用在生態(tài)系統(tǒng)之中。

一個(gè)成功的 EH 系統(tǒng)會(huì)需要 EH 換能器在能量存儲(chǔ)（電池管理系統(tǒng) [BMS]）、電源管理集成電路 (PMIC) 和最佳負(fù)載（微控制器、內(nèi)存、無(wú)線電、傳感器、顯示器等）提供許多技術(shù)支持。

可以說(shuō)這些組件最基本的部分是 PMIC，因?yàn)樗谋举|(zhì)就如 EH 系統(tǒng)的「大腦」，通過(guò)控制 EH 電源提取和電源管理，然后甚至將 BMS 集成一個(gè)簡(jiǎn)單的控制 IC（尺寸幾乎都在10 x 10 mm以下）。

德州儀器 (Texas Instruments) 和凌力爾特 (LinearTechnologies)（現(xiàn)為亞德諾半導(dǎo)體 Analog Devices）等公司已將 EH PMIC 解決方案投放市場(chǎng)已有大約二十年，但當(dāng)時(shí)還不到 IoT 能快速發(fā)展的時(shí)候。典型的 PMIC 流程圖如下圖 4 所示。您現(xiàn)在甚至可以找到現(xiàn)成的 IoT 模塊。

圖 4-EH PMIC 功能流程圖

對(duì) EH 的最大誤解是成本，這也是阻礙大眾采用 EH 的關(guān)鍵因素。成本評(píng)估可能沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，因?yàn)槿魏晤愋偷某杀臼找婊蚩倱碛谐杀?(TCO) 分析都高度依賴系統(tǒng)、應(yīng)用和運(yùn)作環(huán)境。

這樣的復(fù)雜性而且是針對(duì)特定應(yīng)用的分析是 EH 技術(shù)在許多案例中被認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)上不可行的主要因素。

一個(gè)常見(jiàn)的陷阱是只進(jìn)行一階分析來(lái)比較采用 EH 技術(shù)之前和之后的物料清單 (BOM) 成本。

乍看之下，替換紐扣電池的成本大約< 1 美元（大量），而 EH 成本要幾美元。即使已將可持續(xù)性、更高的可靠性和自供電部署的好處納入考慮，選擇EH 解決方案似乎仍不太合理。但是我們必須考慮二階（及更高階的）成本影響才能進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觥?/p>

雖然詳細(xì)討論此類分析會(huì)超出本文的討論范圍，但一個(gè)簡(jiǎn)單的衡量標(biāo)準(zhǔn)是更換成本和維護(hù)成本。如果需要更換便宜的紐扣電池就需要人力，例如，上門服務(wù)或需要特殊設(shè)備才能抵達(dá)處在惡劣環(huán)境的地點(diǎn)，這意味著 BOM 所節(jié)省下來(lái)的成本優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。

在資本支出和運(yùn)營(yíng)支出（CAPEX 和 OPEX）方面，使用 EH 技術(shù)而省下的額外成本，我們將在下一章節(jié)中進(jìn)一步討論。請(qǐng)各位持續(xù)關(guān)注！

審核編輯：湯梓紅