近些年，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型在各領(lǐng)域的不斷推進(jìn)，來(lái)自底層的數(shù)據(jù)采集需求量激增，大量低功耗傳感設(shè)備被廣泛部署，但隨之而來(lái)的設(shè)備供電問(wèn)題，例如電池更換、意外斷電、日常運(yùn)維等，迫使用戶需要付出大量額外成本，嚴(yán)重影響物聯(lián)傳感的規(guī)?；渴?，也制約了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展。

無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用成為了這塊痛點(diǎn)的“良藥”，與其相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品，也已成為各行各業(yè)競(jìng)逐的焦點(diǎn)。IoT終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無(wú)需外接“能量源”，采用獲取環(huán)境能量（如太陽(yáng)能、生物能、熱能或無(wú)線電波等）進(jìn)行供能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)被視為實(shí)現(xiàn)“千億級(jí)萬(wàn)物智聯(lián)”愿景的關(guān)鍵。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)自2021年站上風(fēng)口以來(lái)，開(kāi)始加速推進(jìn)到各領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)中。

目前無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)嵌入了智慧交通、監(jiān)控監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)和物流運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，響應(yīng)“碳中和”的發(fā)展，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)正在成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支。

無(wú)源市場(chǎng)，方興未艾

隨著新興數(shù)字標(biāo)簽技術(shù)的出現(xiàn)，在RFID的基礎(chǔ)上，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術(shù)的無(wú)源互聯(lián)。

其主要依托三類底層技術(shù)，分別是低功耗計(jì)算、低功耗通信和環(huán)境能量采集。其中環(huán)境能量采集的方式是指不依賴電池或電源線供電，而是通過(guò)捕捉環(huán)境中的能量，轉(zhuǎn)化為電能使用，能量的來(lái)源可包括光能、熱能、動(dòng)能、射頻等。

太陽(yáng)能是目前轉(zhuǎn)換效率最高的方案，電磁波在單一頻段下能量轉(zhuǎn)化效率可達(dá)到50%，在多頻段的復(fù)雜場(chǎng)景下只有1~2%，溫度差熱能采集對(duì)使用環(huán)境有要求，轉(zhuǎn)化效率低于10%。

根據(jù)《無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2022）》指出，預(yù)計(jì)2025年前后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規(guī)模將在310-510億元間，預(yù)測(cè)值中位數(shù)為410億元。且在2025年，光能采集、振動(dòng)能量采集以及溫差能量采集三種技術(shù)路線的市場(chǎng)規(guī)模均為千萬(wàn)元級(jí)。

在不需要明確的電源供應(yīng)的情況下，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和管理。但是在環(huán)境能量采集和管理方面也存在一些困難。例如:

能量?jī)?chǔ)存:無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要能量來(lái)運(yùn)行，但是很難儲(chǔ)存足夠的能量來(lái)滿足長(zhǎng)期運(yùn)行。

環(huán)境能量的不穩(wěn)定性：太陽(yáng)能和生物能等環(huán)境能量的供應(yīng)是不穩(wěn)定的，這可能導(dǎo)致無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無(wú)法正常工作。

環(huán)境影響:外部環(huán)境變化，如氣候變化，可能會(huì)影響無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能。

因此，開(kāi)發(fā)高效的能量采集和管理技術(shù)一直是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的重要研究方向。

在“雙碳”政策的指引下，政府和企業(yè)對(duì)可持續(xù)能源和資源管理的日益關(guān)注，以及物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，許多企業(yè)將會(huì)通過(guò)智能環(huán)境能量采集與管理解決方案來(lái)提高能源效率，并實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)利用。

提高能源效率和資源利用效率，同時(shí)促進(jìn)更加可持續(xù)的能源和資源管理，讓環(huán)境能量采集與管理芯片被推上應(yīng)用市場(chǎng)，它通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析能源使用情況，以提高能源效率和減少浪費(fèi)。因此，環(huán)境能量采集與管理芯片是無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一款必要產(chǎn)品。

環(huán)境能量采集芯片，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)突破

一直以來(lái)，環(huán)境能量采集都是極難研發(fā)的技術(shù)之一，而想將這些微能量采集并進(jìn)行管理，其難度更是指數(shù)級(jí)提升，這也導(dǎo)致國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域此前未曾有芯片類成果問(wèn)世。

在環(huán)境能量采集與管理芯片的開(kāi)發(fā)中，存在著這些難點(diǎn)：

能量采集精確性：目前主要的環(huán)境能量為射頻能、溫差能、微光能、振動(dòng)能，其典型的能量密度在0.01μW/1cm2—200μW/1cm2區(qū)間。能量的微弱性、能量的隨機(jī)性以及能量的震動(dòng)性，讓納瓦（nW）至微瓦（μW）能量區(qū)間實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定工作異常困難。

功耗問(wèn)題：環(huán)境能量采集芯片需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，因此需要更低的功耗，不僅如此，對(duì)轉(zhuǎn)換效率和啟動(dòng)電壓等設(shè)計(jì)也有著嚴(yán)苛的性能要求。

可靠性：采集環(huán)境能量以及管理，其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)極為重要，這類芯片必須具有較高的可靠性。

成本問(wèn)題：需要在保證性能和效率的同時(shí)降低成本，以提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題:環(huán)境能量采集和管理芯片的開(kāi)發(fā)需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)，以保證產(chǎn)品的一致性和互操作性。

因此想要解決這些難題，并非一日之功。

近日，飛英思特科技正式對(duì)外宣告，前后歷時(shí)2年，研發(fā)出旗下首款環(huán)境微能量采集與管理芯片——FPM8100，該款芯片是國(guó)內(nèi)無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)該類芯片產(chǎn)品零的突破，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白。

FPM8100芯片具有高效率、高穩(wěn)定、超低功耗等優(yōu)勢(shì)，可集成于各類低功耗傳感器之中使其能量自給。其關(guān)鍵性能指標(biāo)對(duì)標(biāo)甚至遠(yuǎn)超國(guó)外同類型產(chǎn)品，為我國(guó)的低功耗芯片市場(chǎng)提供了一種全新的選擇。

目前，飛英思特圍繞該系列芯片所打造的解決方案，已在工業(yè)監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、資產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域投入試用。隨著產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，其大規(guī)模應(yīng)用的時(shí)間將進(jìn)一步縮短。

FPM8100芯片制程采用180nmCMOS工藝，裸片尺寸為2.1mm*2.3mm，封裝后芯片大小為4.2mm*4.2mm；實(shí)現(xiàn)了380mV最低啟動(dòng)電壓，并將靜態(tài)電流功耗控制在400nA~700nA，多電壓輸出及可達(dá)300mA峰值瞬時(shí)電流輸出；Boost-Buck轉(zhuǎn)換效率在10μW至500μW范圍內(nèi)的效率不低于70%。

環(huán)境微能量采集與管理芯片F(xiàn)PM8100，主要以射頻能、溫差能、微光能、振動(dòng)能等環(huán)境中常見(jiàn)能量為采集目標(biāo)?？赏ㄟ^(guò)冷啟動(dòng)電路(Cold Start)、能量選擇切換(Power Switch)、邏輯控制狀態(tài)機(jī)(State Machine)、儲(chǔ)能管理（Storage Management）等主要模塊將前端無(wú)序、低品質(zhì)輸入能量，高效地管理、利用、存儲(chǔ)起來(lái)，形成新的“環(huán)境電池”形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)后端電路的穩(wěn)定輸出。此外，高集成度的設(shè)計(jì)可以更容易進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和更精巧的設(shè)備尺寸管理。

根據(jù)市場(chǎng)研究公司的報(bào)告，隨著全球?qū)沙掷m(xù)能源和資源管理的關(guān)注，全球環(huán)境能量采集與管理市場(chǎng)未來(lái)幾年會(huì)保持快速增長(zhǎng)。環(huán)境能量采集與管理芯片也有助于改善資源利用效率，如水和電力，同時(shí)降低對(duì)環(huán)境的影響。

寫(xiě)在最后

技術(shù)的迭代一定是科技行業(yè)的基調(diào)，創(chuàng)新突破可能是一個(gè)產(chǎn)業(yè)的革命。無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)作為一張“以能量為中心，以數(shù)據(jù)為核心”的網(wǎng)，其存在的能源受限和連接不確定性一直是各大企業(yè)需要攻克的目標(biāo)。

環(huán)境微能量采集與管理芯片F(xiàn)PM8100的正式發(fā)布，是飛英思特賦能各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要一步，也是其實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)道路上的一個(gè)關(guān)鍵里程碑。這款低功耗、高集成的芯片，將會(huì)在“無(wú)源”歷史上留下一個(gè)深刻“腳印”。

作為國(guó)內(nèi)首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，這款產(chǎn)品無(wú)疑標(biāo)志著行業(yè)的一次重大突破。它不僅提高了能量利用效率，而且拓寬了環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了可持續(xù)發(fā)展。我們期待著這款芯片的更多應(yīng)用，相信它將為行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新發(fā)展。