无电池电源设计突破 推进人工智能物联网

2021/10/07 - DIGITIMES企划

人工智能物联网(AIoT)为近年的新兴议题，拜5G平台崛起所赐，庞大数据的上传及下载可在瞬间完成，使得人工智能物联网的发展更加迅速。然而，物联网的布建无远弗届、无所不在，如何为物联网上的各种装置供给所需能量？这是业界的大哉问。

尤其是全球物联网装置数量至2020年已成长达500亿个，挑战更形严峻，想想若是采用一般电池供电，为这些装置更换电池得花上多少时间？更遑论装置若是位于山之巅、海之涯，换电池是如何之难。因此，在某些情境之下，无电池设计是一必然趋势，也能进一步扩大应用层面。

从环境中撷取能源，电源管理挑战多

为了达成无电池设计，近十年业界尝试了光、热、震动、射频等方式，采用相对应的传感器，可将这些环境能源传换成电能，然而这些供电方式并不稳定，容易受环境影响，且电压时高时低，所以必须仰赖电源管理IC进行有效管理并提供稳定的电压给物联网装置，例如穿戴式装置、线上医疗装置等。

整体来说，无电池微型装置电源设计的挑战在于：首先，电压普遍偏低，大部分小于0.8伏，而且可以撷取的功率很少，约100微瓦(microwatt)，因此控制电路本身功耗必须在10微瓦以下，也就是说，必须设计出低电压、低功耗的控制电路，才能符合无电池微型装置的需求。其次，由于电力十分有限，因此希望能从传感器撷取更多能量。

其三，系统需在无电池的状态下启动。最后，每一个传感器都有使用限制，可能需要光、振动及或RF等，因此若能设计出结合多来源的撷取电路，将可大大提升应用情境。阳明交通大学电子研究所教授兼所长陈柏宏团队所研发的电源管理IC，充分符合上述四项要求。

动态侦测能量来源，自动切换

视应用的不同，电池的组合搭配可以非常多样，可以是两种或是三种供电技术的组合。例如，有些大功率输出应用仍需使用一般电池，因此在设计上可结合一般电池及太阳能电池，采用复合形式。若是想实现完全无电池设计，也可采用太阳能做为主电源，温度差发电做为辅助电源，或是其他组合的设计方式。

针对如此多元的电源组合，电源管理IC必须更有智能。不同于以手动方式切换的方式，陈柏宏及其团队开发的全自动侦测输入电压源技术，能够以动态侦测方式，迅速判断能量撷取来源输入及输出，且能达到高效能。

此一电源管理技术的突破，使得物联网装置能自动切换从不同的来源撷取能量，且将多余的能量储存在电容中，对于人工智能物联网的普及将是一大助力。

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图说：阳明交通大学电子研究所教授兼所长陈柏宏在「无电池微型装置电源设计关键」演讲中指出，采用无电池电源设计，人工智能物联网才能无远弗届。(DIGITIMES)


图说：阳明交通大学电子研究所陈柏宏团队开发的全自动侦测输入电压源技术，可以让无电池设计的能量撷取来源不只一个，透过自动侦测技术，可以快速判断输入源。(DIGITIMES)