环境发电|《无人离职的公司》连载第21期

原创硅谷硅事 2023-06-08 04:18 773浏览 0评论 0点赞

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第六章

凌特的下一个目标:环境发电

高效率、低功耗集成电路的出现，才预示能量收集开始进入实用阶段。

6.1 在我们周围的环境中收集微量能量

在过去的几年里，凌特积极参与能源收集领域的技术和市场开发等活动。

能源收集是一种收集和利用我们周围环境中存在的微量能量的技术，这些能量的来源包括振动、光、热和电磁波。有效利用通常被丢弃的极少量能源这一概念已成为人们关注的主要焦点。“2010年能源收集相关设备市场规模为6.05亿美元，到2020年将扩大到44亿美元”(IDTechExLtd.，英国)。“2009年的市场规模为7950万美元，目前正以73.6%的速度增长，2014年将达到12.54亿美元”(美国创新研究和产品公司)。能源收集，也被称为环境发电，可以方便地在各种地方产生能源。然而，由此获得的电量是非常微小的。

在大多数情况下，单个发电设备只能产生微瓦量级的能量。如果安装在智能手机上，这种设备将“无法产生足够的能量使手机免于充电”。

虽然能源收集技术的发电量很小，但市场的增长预期却很高，这源于它极高的便利性。能量收集的主要优点是，采用这种机制的设备将不再需要麻烦的、昂贵的步骤，如更换、连接主要电池以及电池相关的维护。从某种意义上说，与“低功率”不同，该技术将实现“零功率”。

图6.1：随时随地利用能源

凌特成立30年来收购的第一家公司。公司收购的尘埃网络公司擅长无线传感器网络技术。

能源收集是一种能收集少量未使用的能源并能有效利用的技术。能源来源包括振动、光、热和电磁波。

来源:玲子Kusumotoi

由于控制信号是无线交换的，因此不需要为开关重新布线。例如，像是在博物馆这样的机构中，展品的布局经常更换，所需电缆的布线一直是主要负担。这便是一种能体现无需布线的能源收集价值的场景。

6.2 外围元件的改变

能量收集系统的典型结构组成如下：

(1)首先，找到能源并产生能量，

(2)收集的能源通过电源电路进行转换，储存在电容器或可充电电池等装置中，

(3)累积的电能激活设备，如微控制器、传感器等。以及，

(4)传感器获取的信息通过无线信号收发方式传输到外部设备。

据了解，如果购买5万台将1 ~ 4功能结合在一起的产品，则单价约为12美元。

能量收集的设想已经存在有一段时间，也有悠久的研究历史。最近，实现这一设想的重大进展来自于那些应用发电设备的外围组件的进步。这些组件对应于上面步骤2-4中描述的功能。相对应的，能源收集设备的使用范围也增加了。

外围组件的进步是电源电路等设备功耗大幅降低的结果，包括提高发电使用效率的电源电路，用于信号收发的无线IC、微控制器和传感器。在此之前，发电设备费力收集的电能几乎完全被这些外围组件消耗，无法提供更多的电能用于实现所需的功能。而高效率、低功耗集成电路的出现，才预示能量收集开始进入实用阶段。

6.3 采访罗伯特·斯旺森关于他对环境发电的预期

凌特的电源集成电路在能源收集市场的发展中扮演着重要的角色。现在让我们来看看该公司创始人斯旺森在接受我们采访时概述的重视环境发电领域的原因。凌特似乎是一家正在脱离消费品市场的公司，它在面向工业设备市场发展的过程中，把能源收集作为一个关键的技术和市场。

Q：你能介绍一下你们在能源收集领域的投资背景吗?

A：自公司成立以来，我们一直在应对新领域的挑战。能源收集是我们最近涉足的领域之一。回顾过去10年，我们在互联网、PoE(以太网供电)、3G、导航、电动汽车(EV)、数字电源和小型电源模块等领域开发模拟技术。而现在，我们正在应对的下一个领域是能源收集。

目前，能源收集市场还没有起步。我们希望通过利用模拟技术在能源收集领域实现突破，我们将能够创造新的市场。能量收集的过程包括从温差、阳光、湿度和电磁波等来源获取能量，并利用这些能量操作微控制器，以及通过无线传输相关数据。虽然这个流程需要模拟电路，但这方面还没有被充分的研究。模拟电路成了构建最优系统的缺失环节。

电压转换电路就是一个很好的例子。例如，利用温差发电获得的电压非常小，电压值不超过10mV至20mV。因为使用如此低的电压操作微控制器和无线传输数据非常困难，所以需要使用升压电路来增加电压。虽然像微控制器这样的器件可以通过极小的电源电流来驱动，但这些器件需要电压足够高才能实现操作。同时，电压转换电路必须是高效率的。这是因为产生的电量很小。这就是先进模拟技术派上用场的地方。

我们开发了一种用于温差发电的DC/DC转换器IC。从发电元件获得的20mV小电压可以高效地提高到2.5V或3V。此外，包括这个用于使用电压元件的发电应用的IC，我们现在有四到五款用于能源收集的产品。

Q：最近，我们听到了很多关于能源收集的话题。我相信大家对相关市场的期待是很高的。

A：我在国家半导体公司工作了14年。在这中间，除了其它任务，我在德国驻扎了一段时间负责欧洲的业务，也负责美国的业务。正是在所有这些任务中，我接触到很有意思的业务。我指的是模拟集成电路。在20世纪70年代，国家半导体公司在模拟集成电路市场上占有相当大的份额，其产品众所周知。

2010年秋天，我们在德国参加了一个贸易展，我在那里的许多展位上走了一圈。无论我走到哪里，每个人都在兴奋地谈论能源收集。不可否认，能源收集的未来潜力是巨大的。重要的是，它什么时候会发展成一项主要业务?

我预测，三年后能源收集市场的价值将达到数百万美元，五年后将增长到数千万美元。不过我认为，在未来五年内，这个市场的规模不太可能超过1亿美元。尽管如此，应用的潜力仍在不断增长。这就是为什么我们对能源收集非常感兴趣，也在开拓进取确立这样的市场定位：公司有能力利用模拟电路解决这些困难，填补产品缺失的环节。

因为能源收集是一项未来的业务，毫无疑问会有很多客户关心这项技术将能够处理什么样的应用。

为此，我们正在编写文档来解答这些问题。

我想我们可以说，我们现在处于许多设备设计师着手准备真正利用能源收集的初级阶段。

Q：凌特是否需要与其他公司合作开发用于能源收集的模拟电路?

A：要创建和扩大能源收集业务，与其他公司的合作是必不可少的。通过与其他公司携手合作，共享我们各自拥有优势的领域，我们将能够提供易于使用的解决方案。

德国EnOcean有限公司是能源收集领域的领先公司之一。我们与这家公司合作开发了一种产品，该产品实现了与他们开发的电路的最优对接操作。这就是我之前提到的通过温差发电的DC/DC转换器IC。

应EnOcean公司的要求，我们在LTC3109 IC中加入了一个功能，即使在电位差极性波动时也能跟踪。上一代产品LTC3108没有包含此功能。之所以能达成这项成就，是因为我们与一家能源收集领域的先进公司合作。

我们还与一家处理微控制器的公司合作。这家公司正在开发一种用于能源收集的微控制器，具体说是遥感，其特点是极低的功耗。我们正在考虑将模拟IC集成到像这种微控制器的设备中。

Q：是否需要与设备制造商合作?

A：当然需要。通过与考虑使用能源收集的人们合作，能够产生令人兴奋的发现，这是很有意思的事情。

我们已经有几千种模拟产品，过去我们把这些产品介绍给世界各地无数的工程师，由他们来评估这些产品。正是这些工程师的反馈，让我们能够确定未来的应用。一旦我们确定了这些应用，我们就会进行修改，以实现一个对预期应用容易使用的成品。

毫无疑问，我们可以预见，同样的情况也应该会发生在能源收集模拟产品上。我相信很多工程师对产品改进都有切实可行的想法。

例如，航空工业也正在探索利用能源收集的可能性，这些想法包括在飞机上安装数百个传感器，用于监测金属疲劳，以及在检测到危险时发送信号。当我们开始研究能源收集时，我从未想到过这样的方法，我毫不怀疑未来会出现更多这样新的想法。

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