芯科科技能量采集平台助力无电池物联网系统实现
能量采集技术通过捕获并转换来自环境中的能量源，如太阳光、射频信号和机械振动，实现能量的存储与再利用。这项技术是构建环境物联网（Ambient IoT）系统的关键支撑，使设备能够摆脱传统电池的依赖，从周围环境中自主获取能量。
本文旨在帮助开发者系统地评估能量流的各个阶段，解答一个核心问题：所采集的能量是否足以支撑目标应用场景？文章将深入探讨光能采集系统的架构、能量流动路径、设计权衡策略以及验证方法，并推荐几款实用开发工具，如Silicon Labs（芯科科技）的EFR32xG22E能量采集开发套件，以及Qoitech的Otii Ace Pro功率测量与分析设备。
芯科科技能量采集平台简介
基于EFR32xG22E无线SoC构建的能量采集平台，专为超低功耗环境设计。其性能表现突出，从冷启动上电仅需150微焦耳（µJ），而在深度睡眠模式（EM4）下唤醒仅消耗17微焦耳。平台通过精确的能量预算机制，以微焦耳为单位动态平衡能量输入与消耗，支持固件行为的智能调整，如传输频率、数据负载和内存操作的优化。这种架构为能量受限环境下的长期稳定运行提供了保障，特别适合大规模的环境物联网部署。
能量采集系统开发要素
典型的光能采集系统通常由以下四个部分组成：
- 光伏电池：将光能转化为电能，其效率受光照强度、入射角度及材料特性影响。
- 电源管理芯片（PMIC）：负责电压调节、功率提升，并通过最大功率点追踪（MPPT）提高能量采集效率。
- 能量存储模块：用于储存采集到的能量，可选用超级电容、可充电电池或混合储能方案，具体选择需根据应用场景的能量需求与工作周期确定。
- 负载模块：即系统中消耗能量的嵌入式设备，如传感器节点或无线通信模块。
能量采集硬件设备概述
xG22-EK8200A开发套件
基于EFR32xG22E芯片的xG22-EK8200A套件专为能量采集设备开发设计，支持Bluetooth Low Energy和Zigbee Green Power等低功耗无线协议。该平台具备超快冷启动与低功耗唤醒能力，适用于多种能量受限应用。该套件集成多个扩展板，与e-peas PMIC供应商联合开发，可用于光伏、动能等多种能量源的测试与评估。
BRD8201A - 双源采集扩展板
此扩展板配备e-peas AEM13920 PMIC，支持双能量源测试，开发者可在此基础上调试独立运行场景并评估系统电池寿命。
BRD8202A - 动能按钮扩展板
该扩展板结合BRD8206A动能按钮，展示动能或脉冲式能量采集的应用模式，适用于脉冲供能系统，集成e-peas AEM00300 PMIC。
BRD8203A - 电池扩展板
支持多种电池化学体系与超级电容器的测试，便于评估不同储能方式的性能。
该套件包含：VoltaiC Systems P121 R1H光伏电池和Tecate 10F 3.8V锂超级电容器。
光伏能量采集实测分析
光伏电池与PMIC协同工作
利用e-peas AEM13920 PMIC采集光伏电池输出能量，并通过Otii Ace Pro记录电流与电压数据，可观察到明显的电压波动与电流尖峰。这些波动揭示了PMIC在不同光照条件下的响应机制。
PMIC在每次循环开始时会短暂断开负载，测量光伏电池的开路电压（Voc），并据此计算最大功率点（MPP）。在e-peas PMIC中，默认将MPP设为Voc的75%，并允许用户在35%至85%之间配置。
能量存储动态分析
通过监测能量存储模块的电流与电压行为，可以判断系统是否实现能量自给。在一次完整的数据传输与休眠周期中，尽管短暂的唤醒期间芯片消耗能量高于采集输入，但整体来看，采集能量在空闲时间足以补充损耗，实现电池的再充电。
物联网设备的功耗特性
高效能量采集系统的设计依赖于对设备功耗的精确控制。BRD8201A扩展板为开发者提供了在真实能量采集条件下的测试平台，结合Otii Ace Pro分析其运行行为。
在每27秒一次的活动周期中，平均电流消耗约为160µA。而在休眠状态下，芯片功耗低于300nA，展示了其在低功耗应用中的高适应性。
无电池物联网的实现前景
本次评估展示了基于光伏能量采集与EFR32xG22E平台构建的无电池物联网系统的可行性。通过集成e-peas AEM13920 PMIC与Qoitech Otii Ace Pro测量工具，开发者可以设计出具备动态适应能力的系统，利用MPPT技术优化能量捕获，并在光照变化的环境下保持系统稳定。
测试过程中，通过两个Otii Ace Pro设备分别监控光伏输入与储能模块，提供了高精度的能量流数据。芯片在休眠模式下功耗低于300nA，唤醒能耗仅为17µJ，验证了其在低能量环境下的长期运行能力。
此外，系统在完整的数据传输与休眠周期中实现净负电流，表明其具备自给自足的潜力。这种设计不仅验证了能量采集架构的可行性，也凸显了低功耗组件与动态固件优化的重要性。
随着环境物联网的持续发展，无电池物联网系统正逐步走向现实。xG22E能量采集套件与Otii功率分析工具为开发者提供了可靠的技术支持，使免维护、可持续、可扩展的IoT解决方案成为可能。