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          【技術分享】電子產品無電池化方案

          日期:2021-06-14 作者:潤欣科技創研社 返回列表

          微型電子產品


          隨著物聯網的發展,各種智能小終端的數量以幾何級遞增,配合手機、平板等智能產品,以及路由網關、智能音箱、家電控制中心等接入產品,聯合云端算法,形成各種智能應用提升我們的生活質量,包括如穿戴、家電控制、環境監測、生活安全、新零售管理、工農業應用和畜牧業智能管理等等,而所有的這些小終端都有一個特點,就是體積小,重量輕,只能采用紐扣電池進行供電。


          而電池供電除了定期更換所帶來的人工成本之外,形成的環境污染更是一個不容忽視的存在。現在,每年消耗的電池數量高達數十億顆,并且還在以一個30%以上的增長比每年遞增,所以如何延長電池在產品生命周期中的使用時間,甚至如何實現無電池化電子產品生產是物聯網設備,特別是終端小設備廠商所迫切需要的技術方案。


          本文從Fortune-Switch、Fortune-Tag、Fortune-Home三個研發組的產品中,分別從機械能、電磁能和光能三種微能量應用方案為大家帶來潤欣科技的無電池方案設計。


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          微能量應用實現無電池方案


          微能量也稱為環境能量,而微能量的應用主要依賴于四種,包括機械能、電磁能、光能和溫差能。機械能就是利用電磁感應原理把機械能轉化電能,電磁能跟無線充電技術相同就是從電磁波中獲取能量,光能不僅僅包括太陽能也包括了微弱的光線和室內光,而溫差能就是通過冷熱兩面溫差產生電流形成微弱能量。


          一、Fortune-Swtich


          Fortune-Switch是潤欣科技智能開關研發組,設計產品包括無線單火開關、藍牙無電池開關、智能家電無線中控開關、無線門鈴等,本小節將重點講述通過機械能進行供電的無電池設計方案,主要應用在藍牙無電池開關和無線門鈴產品中。


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          本方案采用PM5600和PM4250作為機械能采集裝置,每次機械按鍵動作分別可以輸出600uJ和250uJ的能量,采用ATM3作為藍牙SOC通信平臺,ATM3擁有超低電能啟動需求和超低功耗工作損耗的特點,藍牙發射只需要2.5mA的電流,藍牙接收只需要0.9mA的電流,而在收發間隔之間平均只需要2uA的電流,同時無電池情況下最低啟動能量需求只需要30uW,而工作電壓最低1.65V。


          本方案非常適合于非握手類單向通信無線控制開關,包括LED燈控、門禁、門鈴、公交車呼叫器、餐廳點餐器等等。

           

          二、Fortune-Tag


          Fortune-Tag是潤欣科技智能標簽研發組,設計產品包括巡更信標、電子圍墻、無感工牌、智能校徽、物流標簽、智能掛件等,本小節將重點講述通過電磁能進行供電的無電池設計方案,主要應用在無感工牌、物流標簽、智能掛件等產品中。


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          ATM3可以收集800MHz~2.4GHz的射頻能量,建議優選915MHz或者2.4GHz,低頻率的射頻能量在相同距離上的衰減會低于高頻率的方案,詳見下圖。在無電池應用中,ATM3冷啟動所需要的最低輸入為-10dBm


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          本方案適合于只在特點場合下有通信需求的無電池藍牙設備的方案設計,通過射頻發射器提供能量讓設備進入工作狀態,而設備遠離或者關閉射頻發射器后設備為非工作狀態。

           

          三、Fortune-Home


          Fortune-Home是潤欣科技智能家庭研發組,設計產品包括遙控器、無線燈、傳感檢測設備、智能網關、無線音箱等,本小節將重點講述通過光能對藍牙智能小終端產品進行供電的無電池設計方案,主要應用在遙控器、傳感檢測、藍牙信標等產品中。


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          室外太陽能的應用技術已經非常成熟,然而,室內光能限于其能量有限,一直很難在電子產品中作為一個電力供應來使用。而ATM3的特性不僅僅適用于機械能和射頻能的微能量應用,同樣也適用在室內光的微能量采集引用上。能量收集,跟采集面以及光照強度有關,以10.9平方厘米的采集面積來計算,在較暗的燈光下180Lux的光照強度可形成48 uW的能量,辦公室500Lux的光照強度下可形成145 uW的能量,在980Lux光照強度的商場可形成245 uW的能量,而在室外,陰天為5000Lux~20000Lux,晴天為50000 Lux~100000 Lux的光照強度,可提供足夠的能量供應。同時,如果希望采集到的能量能夠讓設備在沒有光的環境下能夠持續工作一定的時間,則可以在方案里面增加一個較大的電容或超級電容。10.9平方厘米的光能采集方案中,440uF的電容,在辦公室環境下13秒后可以開始工作,并且充滿電后可以持續40秒鐘的無光環境;而220mF的超級電容,在辦公室環境下63分鐘后可以開始工作,并且充滿電后可以持續6小時的無光環境。


          本方案適合于有太陽能或日光燈照射的室外或室內,包括如辦公室、超市、家庭等環境下的無電池藍牙設備方案設計,通過采集光能讓設備可以正常工作。


          全球正快速實現智慧城市、智慧社區、智慧交通的建設,而由電池驅動的智能終端也越來越收到電池本身的限制,潤欣科技推出的無電池電子產品設計方案將會為很多的藍牙終端產品帶來福音。


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