許多無法接入市電的嵌入式系統依賴電池供電，但電池更換不僅會產生維護成本，還面臨諸多后勤實施難題。能量收集技術可為這類系統持續供電，實現長期無間斷運行。本文將闡釋如何利用能量收集技術構建永久運行的嵌入式系統，并總結芯科科技推出的相關解決方案。

設計面向永久運行的能量收集系統

對于嵌入式設計工程師而言，能量收集技術正成為一種切實可行的供電方案，讓無線傳感器得以應用在以往僅靠電池供電無法實現的場景中。例如，借助能量收集供電，超薄無線傳感器的傳輸距離可突破 100 米，使用壽命能超過 20 年。

能量收集系統的終極設計目標是實現永久運行，這一目標的達成條件為：系統收集的能量總量達到或超過其運行過程中的能量消耗總量。電源管理是該類系統設計的核心環節，首要步驟是確定能量收集器的可用輸出功率。能量收集器可將太陽能、機械能、熱能等能量源轉化為電能，其中太陽能收集器的功率密度最高，單位表面積的輸出功率可達 15 毫瓦 / 平方厘米。最大化收集器的輸出功率，是打造高效能量收集系統的關鍵。

在該類系統的設計過程中，工程師需在實現系統所需功能的同時，將功耗降至最低。選擇低漏電器件、采用芯科科技 Si10xx 系列無線微控制器這類超低功耗微控制器，有助于實現系統整體低功耗運行。電池供電系統中采用的大多數低功耗技術，同樣適用于能量收集系統。

以一款太陽能無線傳感器節點為例：該節點每 20 分鐘傳輸一次數據，平均發射電流為 10 微安；白天時，太陽能電池板可提供 50 微安的持續輸出電流，因此白天的凈充電電流為 40 微安，而夜間電池的放電電流為 10 微安。經計算，若該系統每天能獲得至少 4.8 小時的光照，收集的能量即可支撐其實現永久運行。

計算公式推導：

設 D = 每日光照時長（小時）

N = 每日夜間時長（小時）

能量平衡條件：收集能量 = 消耗能量

即 40μA × D = 10μA × N

每日總時長為 24 小時：D + N = 24

聯立方程可得：D + 4D = 24 → 5D = 24 → D = 4.8 小時，N = 19.2 小時

兩類系統：平衡平均功耗與脈沖式能量收集

能實現永久運行的能量收集系統，根據能量存儲機制的不同，大致可分為兩類。

第一類：通過薄膜電池這類低漏電、高容量的儲能器件，實現能量的長期累積。這類系統通過平衡平均收集能量與平均消耗能量實現永久運行，設計靈活性較高，可支持偶爾的高功率脈沖式工作。系統大部分時間處于低功耗休眠模式，保持通電狀態并持續收集能量，前文提到的太陽能無線傳感器節點便屬于此類。

第二類：系統平時處于斷電狀態，直至檢測到能量脈沖后，將能量收集并儲存至電容器這類低阻抗儲能器件中。完成短暫的上電與復位后，系統利用收集到的有限脈沖能量執行指定功能。這類系統通過平衡單次任務消耗的總能量與單次脈沖收集的能量實現永久運行，無線輕觸式開關就是典型案例 —— 該設備利用按壓按鍵產生的機械能，向燈具端的接收器發射射頻信號。

多年來，紐扣電池、AA 型鋰電池、鋰亞硫酰氯電池等傳統電池一直被用于長壽命嵌入式系統。薄膜電池的問世，讓工程師能在成本、尺寸與安全性之間做出新的權衡。盡管價格低廉的紐扣電池能降低制造成本、縮短產品上市周期，但在產品全生命周期中，電池更換會產生隱性成本。

從終身容量來看，一塊薄膜電池所能提供的總能量，相當于多節 CR2032 紐扣電池。在嵌入式系統的整個生命周期內，薄膜電池的初期投入成本，遠低于多次更換紐扣電池的累積成本。

薄膜電池是所有電池類型中外形最薄的，厚度可低至 0.17 毫米左右，其終身總容量堪比 4 節 AA 型鋰電池或 1 節 C 型鋰亞硫酰氯電池，非常適合對空間要求嚴苛、需要超薄外形且長續航的嵌入式系統。

此外，薄膜電池還能規避傳統大容量電池的部分安全隱患，如易燃、爆炸風險。薄膜電池支持充電，且任一時刻的實際儲能量僅為其終身總容量的一小部分，因此在短路、高溫等極端情況下，產生的危險系數更低。與常被直接丟棄在垃圾填埋場、難以回收的傳統大容量電池相比，薄膜電池產生的廢棄物也更少，更具環保性。

參考設計加速產品開發進程

功耗仍是電池供電物聯網設備的核心設計約束，行業為降低設備功耗做出了諸多努力，制定了一系列適配能量收集技術的標準與框架，無線通信領域的 Zigbee 綠色能源標準便是其中之一。

芯科科技與艾睿電子基于芯科 EFR32MG22 片上系統，聯合開發了一套能量收集參考設計，將 Zigbee 綠色能源輕觸式開關與能量收集電源管理技術相結合。EFR32MG22 專為 Zigbee 應用設計，封裝尺寸小巧且集成安全功能，非常適合超低功耗終端設備。芯科科技還推出了 EFP0111 等低功耗電源管理集成電路，為能量收集系統的電源管理提供支撐；同時提供開發套件與 Simplicity Studio 集成開發環境，助力工程師研發能量收集系統。

該參考設計的核心能量源為機械能收集器，采用采埃孚雙穩態發電機模塊。這是一款雙向開關發電機，意味著按壓和釋放開關的過程均可產生能量：開關內置一個兩極磁鐵，按壓開關時，磁通量穿過磁芯并回到另一極；釋放開關時，磁場發生變化并沿相反方向穿過磁芯，變化的磁場會感應產生可被收集的電流。采埃孚發電機在開關按壓和釋放時均會產生交流電壓，系統利用這些機械能為燈具接收器供電，實現開關與燈具之間的無布線控制。

物聯網設備的供電能耗較高，無電池供電方案不僅能簡化設備設計，還能降低對環境的影響。例如，在部分低功耗系統中，讓一顆 LED 燈閃爍一次所需的能量，足以支持多次射頻數據包的傳輸。低功耗芯片設計與低功耗優化網絡相結合，為電源管理提供了全新思路，同時能為制造商和消費者降低成本、減少廢棄物產生。

高性能、低功耗的電源管理器件

芯科 EFR32MG22 系列片上系統

該系列是專為 Zigbee 應用優化的器件，適用于智能家居傳感器、照明控制、樓宇與工業自動化等場景，核心設計重點為實現高效節能。

EFR32MG22 與 EFR32MG22E Zigbee 片上系統解決方案，均屬于無線壁虎二代平臺。MG22 系列集成了高性能、低功耗的 76.8 兆赫 ARM Cortex-M33 內核，并搭載 TrustZone 安全架構；MG22E 版本進一步提升了能效，可支持更長的電池續航，甚至適配無電池設計。該系列片上系統具備低發射與接收電流（+6 分貝毫瓦下，發射電流 8.2 毫安、接收電流 3.9 毫安）、1.4 微安的深度休眠模式，同時集成低功耗外設，可完美支持包括綠色能源在內的各類 Zigbee 應用。

EFP0111GM20 電源管理集成電路

這是一款靈活、高效的多輸出電源管理器件，可為 EFR32 與 EFM32 系列器件提供完整的系統供電，集成三路輸出電壓軌與主電池電量計量功能。該款升壓啟動型電源管理集成電路的工作電壓范圍為 1.7 伏至 5.2 伏，待機電流低至 150 納安，支持 1.5 伏至 5.5 伏的電池供電，可針對不同化學體系的電池優化供電效率。

Si10xx 系列亞千兆赫無線微控制器

該系列器件將高性能射頻模塊與超低功耗微控制器集成在 5×6 毫米的小巧封裝中，支持 142 兆赫至 1050 兆赫的工作頻段，內置先進的數據包引擎，鏈路預算可達 146 分貝。通過降低發射、接收、工作及休眠狀態下的電流，并支持快速喚醒，該系列微控制器能為電池供電應用實現能耗優化。其中 Si106x 與 Si108x 型號引腳兼容，閃存容量為 8 至 64 千字節，集成模數轉換器、雙比較器、定時器、通用輸入輸出口等高性能模擬和數字外設，專為 802.15.4g 智能計量應用設計，同時兼容美國聯邦通信委員會、歐洲電信標準協會、日本無線工業及商貿聯合會等全球主流監管標準。

結語

能量收集技術已成為眾多嵌入式系統的實用供電選擇，且有望在未來幾年得到更廣泛的應用。只要解決了初始上電復位的相關難題，設計合理的能量收集系統就能實現永久運行；通過精細化的系統設計，能量收集系統的部署壽命可達到 20 年甚至更久。

薄膜電池憑借超薄的外形與低漏電特性，已成為能量收集系統中替代原電池與可更換電池的常用器件，為嵌入式系統開發開辟了全新的應用可能。而 EFR32MG22 Zigbee 片上系統、EFP0111GM20 電源管理集成電路、Si10xx 亞千兆赫無線微控制器這類器件，所具備的電源管理與低功耗無線通信能力，能支撐嵌入式系統長期穩定運行，無需頻繁更換電池。