廢棄物與機會

「一個人認為沒有用的垃圾，可能對另一個人來說是個寶藏。」電子行業花費大量的工程周期、費用甚至能源來處理「余熱」，特別是在數據中心等一些應用，需要大量空間和電力來解決熱緩解。本文觀點是將此類熱源（以及其他能源）視為能量捕獲或回收的機會。

針對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，處理廢棄物的可能性和方法發生了徹底變化。無論是在美國還是全球，大約三分之二的原始能源屬于「余熱」，這實際上代表了一個巨大機會，我們將在本文中深入探討。

圖1-突顯「余熱」的美國整體能源消耗

源與負載

在之前關于物聯網 (IoT) 和工業物聯網 (IIoT) 的文章中，我們討論了在可用能量（例如系統電源）和負載（例如系統功率預算）之間找到適當平衡的重要性，并且重點放在如何減少負載，而不是簡單地尋找更大來源。

讓我們來快速復習，若能源為分母，系統功率預算為分子，系統生存能力則是這兩者的拐點，減少分子的速度比增加分母的速度要快得多。換句話說，當比率 < 1 時，能量收集變得更有能力，而電子設備變得不那么耗電。

圖 2-可用功率和系統功率預算的關系

圖 3-能量收集中電源與負載的關系

這里的關鍵點是從技術和經濟角度來看，若要讓系統，應用可行的話，需仰賴設計人員降低系統功耗和智能電源管理 (IPM) 技術的能力，而不是尋找更大、更密集的電池或更高效的電源轉換器。

電池容量大約每十年才會翻上一倍，而集成電路(IC)甚至微機電系統 (MEMS) 傳感器等設備在提升功能的同時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步更為理想。

何謂能量收集？

能量收集 (EH) 是從我們周圍的環境中捕獲和轉換自由的環境能量。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：

·太陽能（熱能、光伏或PV）；

·動力學（電動、振動）；

·熱電、壓電（機械感應）；

·射頻或射頻（近場、遠場）；

·摩擦電（靜電）。

任何換能器實際上都是潛在的 EH 源，但本文將重點介紹 EH 應用解決方案。

EH 模態往往根據其原生輸出分為 ac 或 dc 的類別。最常見的 dc 類 EH 設備是 PV 和熱電設備。最常見的 ac 類 EH 設備是壓電、RF 和其他機械動態源，例如振動、渦輪和磁驅動電動換能器。這些能源都有自身的細微差異和挑戰，因此要注意電源管理集成電路 (PMIC) 并非萬能解藥適用所有的 EH 源。

在過去的幾十年中，EH 在技術以及實際應用方面有很大的進步。大約在十年前，尤其是在 IoT/IIoT 出現之前，人們對 EH 技術有一些常見的誤解。第一個誤解是 EH 對任何有用的應用產生的電源都可忽略不計。我們將暫時深入討論這個問題，因為它與之前的源與負載的討論非常接近。

另一個誤解是 EH 只是一個學術實驗，缺乏生產供應鏈和能夠支持大量開發的生態系統。很多 PowerIoT 生態系統的組成部分（本討論稍后會詳述）早已存在多年甚至已有幾十年，而且在它們出現之前就來自于工業（從新設立的初創公司到最大的半導體公司），直到現在才被廣為人知或利用在生態系統之中。

一個成功的 EH 系統會需要 EH 換能器在能量存儲（電池管理系統 [BMS]）、電源管理集成電路 (PMIC) 和最佳負載（微控制器、內存、無線電、傳感器、顯示器等）提供許多技術支持。

可以說這些組件最基本的部分是 PMIC，因為它的本質就如 EH 系統的「大腦」，通過控制 EH 電源提取和電源管理，然后甚至將 BMS 集成一個簡單的控制 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)（現為亞德諾半導體 Analog Devices）等公司已將 EH PMIC 解決方案投放市場已有大約二十年，但當時還不到 IoT 能快速發展的時候。典型的 PMIC 流程圖如下圖 4 所示。您現在甚至可以找到現成的 IoT 模塊。

圖 4-EH PMIC 功能流程圖

對 EH 的最大誤解是成本，這也是阻礙大眾采用 EH 的關鍵因素。成本評估可能沒有那么簡單，因為任何類型的成本收益或總擁有成本 (TCO) 分析都高度依賴系統、應用和運作環境。

這樣的復雜性而且是針對特定應用的分析是 EH 技術在許多案例中被認為在經濟上不可行的主要因素。

一個常見的陷阱是只進行一階分析來比較采用 EH 技術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）成本影響才能進行適當的分析。

雖然詳細討論此類分析會超出本文的討論范圍，但一個簡單的衡量標準是更換成本和維護成本。如果需要更換便宜的紐扣電池就需要人力，例如，上門服務或需要特殊設備才能抵達處在惡劣環境的地點，這意味著 BOM 所節省下來的成本優勢將不復存在。

在資本支出和運營支出（CAPEX 和 OPEX）方面，使用 EH 技術而省下的額外成本，我們將在下一章節中進一步討論。請各位持續關注！

審核編輯：湯梓紅