电子产品无电池化方案详解

微型电子产品

随着物联网的发展,各种智能小终端的数量以几何级递增,配合手机、平板等智能产品,以及路由网关、智能音箱、家电控制中心等接入产品,联合云端算法,形成各种智能应用提升我们的生活质量,包括如穿戴、家电控制、环境监测、生活安全、新零售管理、工农业应用和畜牧业智能管理等等,而所有的这些小终端都有一个特点,就是体积小,重量轻,只能采用纽扣电池进行供电。

而电池供电除了定期更换所带来的人工成本之外,形成的环境污染更是一个不容忽视的存在。现在,每年消耗的电池数量高达数十亿颗,并且还在以一个30%以上的增长比每年递增,所以如何延长电池在产品生命周期中的使用时间,甚至如何实现无电池化电子产品生产是物联网设备,特别是终端小设备厂商所迫切需要的技术方案。

本文从Fortune-Switch、Fortune-Tag、Fortune-Home三个研发组的产品中,分别从机械能、电磁能和光能三种微能量应用方案为大家带来润欣科技的无电池方案设计。

微能量应用实现无电池方案

微能量也称为环境能量,而微能量的应用主要依赖于四种,包括机械能、电磁能、光能和温差能。机械能就是利用电磁感应原理把机械能转化电能,电磁能跟无线充电技术相同就是从电磁波中获取能量,光能不仅仅包括太阳能也包括了微弱的光线和室内光,而温差能就是通过冷热两面温差产生电流形成微弱能量。

一、Fortune-Swtich

Fortune-Switch是润欣科技智能开关研发组,设计产品包括无线单火开关、蓝牙无电池开关、智能家电无线中控开关、无线门铃等,本小节将重点讲述通过机械能进行供电的无电池设计方案,主要应用在蓝牙无电池开关和无线门铃产品中。

本方案采用PM5600和PM4250作为机械能采集装置,每次机械按键动作分别可以输出600uJ和250uJ的能量,采用ATM3作为蓝牙SOC通信平台,ATM3拥有超低电能启动需求和超低功耗工作损耗的特点,蓝牙发射只需要2．5mA的电流,蓝牙接收只需要0．9mA的电流,而在收发间隔之间平均只需要2uA的电流,同时无电池情况下最低启动能量需求只需要30uW,而工作电压最低1．65V。

本方案非常适合于非握手类单向通信无线控制开关,包括LED灯控、门禁、门铃、公交车呼叫器、餐厅点餐器等等。

二、Fortune-Tag

Fortune-Tag是润欣科技智能标签研发组,设计产品包括巡更信标、电子围墙、无感工牌、智能校徽、物流标签、智能挂件等,本小节将重点讲述通过电磁能进行供电的无电池设计方案,主要应用在无感工牌、物流标签、智能挂件等产品中。

ATM3可以收集800MHz～2．4GHz的射频能量,建议优选915MHz或者2．4GHz,低频率的射频能量在相同距离上的衰减会低于高频率的方案,详见下图。在无电池应用中,ATM3冷启动所需要的最低输入为-10dBm

本方案适合于只在特点场合下有通信需求的无电池蓝牙设备的方案设计,通过射频发射器提供能量让设备进入工作状态,而设备远离或者关闭射频发射器后设备为非工作状态。

三、Fortune-Home

Fortune-Home是润欣科技智能家庭研发组,设计产品包括遥控器、无线灯、传感检测设备、智能网关、无线音箱等,本小节将重点讲述通过光能对蓝牙智能小终端产品进行供电的无电池设计方案,主要应用在遥控器、传感检测、蓝牙信标等产品中。

室外太阳能的应用技术已经非常成熟,然而,室内光能限于其能量有限,一直很难在电子产品中作为一个电力供应来使用。而ATM3的特性不仅仅适用于机械能和射频能的微能量应用,同样也适用在室内光的微能量采集引用上。能量收集,跟采集面以及光照强度有关,以10．9平方厘米的采集面积来计算,在较暗的灯光下180Lux的光照强度可形成48 uW的能量,办公室500Lux的光照强度下可形成145 uW的能量,在980Lux光照强度的商场可形成245 uW的能量,而在室外,阴天为5000Lux～20000Lux,晴天为50000 Lux～100000 Lux的光照强度,可提供足够的能量供应。同时,如果希望采集到的能量能够让设备在没有光的环境下能够持续工作一定的时间,则可以在方案里面增加一个较大的电容或超级电容。10．9平方厘米的光能采集方案中,440uF的电容,在办公室环境下13秒后可以开始工作,并且充满电后可以持续40秒钟的无光环境;而220mF的超级电容,在办公室环境下63分钟后可以开始工作,并且充满电后可以持续6小时的无光环境。

本方案适合于有太阳能或日光灯照射的室外或室内,包括如办公室、超市、家庭等环境下的无电池蓝牙设备方案设计,通过采集光能让设备可以正常工作。

全球正快速实现智慧城市、智慧社区、智慧交通的建设,而由电池驱动的智能终端也越来越收到电池本身的限制,润欣科技推出的无电池电子产品设计方案将会为很多的蓝牙终端产品带来福音。

文章来源:润欣科技Fortune微信公众号