在過去的十年間里，物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備以它可實(shí)現(xiàn)的更智能、更便捷、更廣泛的連接引發(fā)了業(yè)界和大眾媒體的關(guān)注，在提高農(nóng)業(yè)作物產(chǎn)量、道路交通流暢、工廠生產(chǎn)效率等方面發(fā)揮了積極的作用?？梢哉f，幾乎各個(gè)行業(yè)都在采用物聯(lián)網(wǎng)傳感器和智能設(shè)備變革企業(yè)的運(yùn)營模式。鑒于物聯(lián)網(wǎng)所展現(xiàn)出的種種優(yōu)勢，Machina Research預(yù)計(jì)2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（包括蜂窩及非蜂窩）聯(lián)網(wǎng)數(shù)量將達(dá)到252億個(gè)。

物聯(lián)網(wǎng)的大規(guī)模應(yīng)用無疑是令人鼓舞的，但隨著全球數(shù)字化進(jìn)程加快，一個(gè)共同的痛點(diǎn)浮現(xiàn)在人們眼前：物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備的電池壽命是有限的，龐大的電池?cái)?shù)量不僅帶來了高昂的維護(hù)成本，廢棄后的電池還會(huì)給環(huán)境保護(hù)帶來更大的負(fù)擔(dān)。

種種因素驅(qū)使著物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)一種全新的供電方式，它們能夠從自然環(huán)境中獲取能量，而并非依賴電池或其他類型所產(chǎn)生的電力，這種技術(shù)被統(tǒng)稱為能量采集技術(shù)。其原理主要是通過采集環(huán)境當(dāng)中的光能、溫差、振動(dòng)、射頻（RF）等能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能。以這種方式產(chǎn)生的電力可以存儲(chǔ)在電容器或充電電池中以維持電子系統(tǒng)正常工作。

環(huán)境中的能量形式不僅多種多樣，還可提供穩(wěn)定的采集源頭，但難點(diǎn)在于這些能量強(qiáng)度較為微弱，且呈零散狀態(tài)。因此，不同能量采集的方法各有差異，下面為大家簡單介紹以上幾種主流能量的采集原理和設(shè)計(jì)思路。

能量收集源有很多選擇，例如局部熱量或振動(dòng)，但最普遍的可能性之一是抓住我們周圍的一些雜散射頻場能量，從低頻到千兆赫范圍。哎，不用，真的會(huì)浪費(fèi)。299792458米/秒的速度永遠(yuǎn)持續(xù)下去。

這就是為什么杜克大學(xué)最近的發(fā)展看起來很有趣的原因。它涉及使用高度工程化的超材料來構(gòu)建900 MHz 到 DC 的換能器。研究人員表示，他們的設(shè)備可實(shí)現(xiàn) 37% 的效率。這非常令人印象深刻，尤其是當(dāng)我們考慮到好的太陽能電池達(dá)到 10% 左右并且（出于明顯的原因）不能 24/7 全天候使用時(shí)。

我對(duì)杜克大學(xué)關(guān)于這一發(fā)展的新聞稿持懷疑態(tài)度。為了讓觀眾了解這個(gè)概念，作者說，通過串聯(lián)使用超材料單元，該設(shè)備能夠產(chǎn)生 7.3 V 的輸出，高于標(biāo)準(zhǔn) USB 端口。

盡管這實(shí)際上是正確的，但暗示這種超材料面板可以充當(dāng) USB 充電器或類似電源。那樣就好了。但任何閱讀本文的人都知道，即使它可以提供該電壓，電流水平也會(huì)很低。在捕獲場中通過的射頻能量并不多。Applied Physics Letters 中的完整技術(shù)論文顯示，研究人員在 70-Ω 負(fù)載中產(chǎn)生了大約 100 mA 的電流，這非常令人印象深刻。

7.3 V 標(biāo)簽讓我想到工程師與電壓和電流之間的愛/恨關(guān)系，因此與能量和功率（能量傳遞的速率）。有時(shí)所需的具體值由物理定律決定。如果我們想電離氣體（例如氖管）或跳過火花隙，則需要幾千伏但電流很小。當(dāng)我們想要進(jìn)行諸如驅(qū)動(dòng)電機(jī)之類的實(shí)際工作時(shí)，我們將需要更多的電流來提供動(dòng)力——以更高的電壓來降低 I 2 R 損耗并提高整體效率。

相比之下，智能手機(jī)所需的電壓和電流由專為極低電壓設(shè)計(jì)的 IC 決定，這是由于低功耗的必要性。一般來說，低個(gè)位數(shù)的電壓很難有效地工作——不是因?yàn)殡娮钃p耗，而是因?yàn)椴豢杀苊獾?0.6 到 0.8 V 的二極管壓降可能會(huì)大大占用我們的可用電源電壓。

我們?nèi)绾芜x擇要使用的電壓和電流值？與大多數(shù)工程情況一樣，答案很明確：視情況而定。對(duì)于某些情況，例如氣體電離或智能手機(jī)，我們別無選擇；這些數(shù)字由物理、可用組件或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)決定。在其他情況下，工程師可以靈活選擇（在限制范圍內(nèi)）。關(guān)鍵是要找到在電力輸送、系統(tǒng)效率、可用組件、安全要求（在不同級(jí)別啟動(dòng)）和成本方面效果最佳的電壓/電流組合。

我們是否必須分析和選擇工作電壓和電流水平？你是如何做出平衡不可避免的權(quán)衡的決定的？