2021年02月04日 | Vishay推出无电池物联网传感器，免维护，长寿命

Vishay 正在物联网领域确立新标杆。这一目标通过光伏能量收集等技术以及混合超级电容器而实现。能量收集是指将周围能量源的少量能量收集起来，例如光、热、振动或其他不同数量的能量。在这个领域，主要问题在于最高效的收集，将收集的能力有效地转换为可用电压水平以及无损存储。具有最小泄漏电流的存储电容器是实现这一点的关键组件。

ENYCAP™ 电容器技术提供了良好的属性，可满足该领域的需求。它拥有尺寸小、能量密度高、泄漏电流低和额定电容超过 90% 的特性，即使经过 35,000 次深放电循环，性能也不会降低。凭借来自周围环境的这些能量源，并配合正确的充电技术，传感器可以完全自主运行，并且对于物联网应用来说，可用时间远超 10 年。 

产品范围从 1.4V 到 8.4V，并且从 4F 到 90F。

多年来，物联网领域一直追求超过 10 年的可用性目标，这一目标只有在所用的全部组件在毫微安培设计中经过优化，并以最小的损耗高效运行的前提下才能实现。

除了效率达 13% 的 7.5mm² 硅光电电池外，这种设计还包括良好隔离并且采用背对背连接方式的 MOSFET，以免出现误放电。Vishay VSKY 系列的 40V 二极管（例如 VSKY02400603）可以在该应用领域良好运行，通常在额定电流下可提供 0.475V 的低正向电压，并在 20V 反向电压时提供 0.8µA 的低泄漏电流。然而，只有使用 p 沟道 MOSFET 的有源背对背隔离才能实现 10nA 的典型反向泄漏电流，例如：MicroFoot®(BGA) Si8819EDB 或 PowerPAK®0806 SiUD403ED。

然而，如果存储电容器的自放电过高，即使是最好的隔离开关也无益于事。在ENYCAP™ 的开发中，一个特别关注的方面是减少自放电，这样，即使在没有负载且没有充电电流的三个月后，电容器中仍有 80% 以上的能量电荷可用。这样可以很容易地实现长时间运行，而产生（收集）的能量很少。

相反，如果两个电路必须经常进行测量或传输，例如，无线电文发送到 5G 或 ISM 无线警报段，则可以为传感器和无线模块提供足够的能量。

行业寄希望于 ISM 无线频段 + 5G

许多工业应用，如工业物联网、M2M 或内部物流、或其他网络系统等正是基于此用例而运行。无论是来自欧标货盘的状态消息，还是监视某些货物的移动或特定过程状态，主要因素通常是在实际发生警报状态之前的最低功耗睡眠模式。例如，这些警报可能是处理不当，如货物掉落或粗暴卸货。同样，如果移动通常不应移动的货物或资产，这将作为错误存储在传感器中，或通过无线输出为消息。

重点在于这种情况在几个月或几年之后才出现，但仍然有足够的能量执行预先计划的活动。老化效应或漂移不能损害此项功能。

ENYCAP™（融合二者优点的混合模式）

能量密度

ENYCAP™ 的能量密度为 50Wh/kg，远远大于其他超级电容器的最大值。

电池电压

此外，ENYCAP™ 电池的电压经过设计，使得串联的电池（1.4V 的倍数）在 1.2V - 1.5V 或 2.4V - 3V 的电压范围内。这些是可充电电池或原电池的典型电压。串联三个电池可以完美替代锂离子电池，因为这样可以产生 4.2V - 4.35V 的电压。

该版本还可以使用典型的锂充电 IC 进行充电，这一因素大大降低了开发新功能的障碍。纽扣电池更换尺寸包括：

4.8 毫米直径（与 SR412SW、RB414 或 ML414 电池相当）

12.5 毫米直径（与 SR44 或 CR1225 相当）

以及直径为 25 - 35 毫米的最强大椭圆形包装

这些直径对应于 4F、15F 和 90F 的电容，以及每 1.4V 电池 4.1W 至 115W 的绝对能量值。按 mAh 计算，相当于~1.1mAh - ~30mAh。

等效串联电阻

ENYCAP™ 电容的等效串联电阻(ESR)在射频应用中经过严格测试。电容器的压降与内部电阻和电流成正比，例如，对于 15FENYCAP™ ，每个 1.4V 电池的内部电阻为 2.5Ω ，对于 4F 版本，则为 7.5Ω。

甚至 4F – 4.2V 版本（在数据手册中规定了 2.5Ω DC 的保守内部电阻）在室温和脉冲负载下仅展现出 0.7V 的压降，因此，通过计算得知，内部电阻为 5Ω （在第一个100毫秒内）。

在 4.1V 端测量的电流为 80mA – 125mA。IoT 传感器包含一个降压变换器，可转换为最佳的收发器电压。OOK、FSK 和 LORA™ 脉冲已发射；然后，电路等待接收“确认”信号。为了支持进一步的小型化，以实现更低的能耗（更小的存储容量），开发实验室正在开发 SMD 版本，以满足具有更低残留电流的回流焊接要求。

这种极化铝电双层电容器可以在首批样品上测量，例如，在 11 x 8 x 2.3mm 的设计中，室温下充满电 96 小时后，容量为 150mF，漏电电流为 0.5μA。

作为一种可商用的解决方案，光伏电池和 ENYCAP™ 的组合已成功投入实际应用一年多时间。升压充电电路由与开发合作伙伴 e-peas 建立的合资企业开发。其芯片 AEM10941 适用于能量收集领域，在系统中经过了测试。采用光伏电池和 ENYCAP™ 这两个组件对 Fraunhofer 参考设计 MIOTY Cookie 进行升级已经启动。遗憾的是，由于新冠疫情，最后的工作已经推迟。

通过与 ASIC 设计公司 e-peas 和多个 Fraunhofer 研究所进行讨论，证实了 PV +ENYCAP™ 组件的组合解决了 IIoT 领域中的一个已知问题。

Vishay 光电二极管用于实施PV电路。目前，Vishay 提供 7.mm 大小的 29 款不同光电探测器PV电池。VEMD5080X01 是一种小型蓝光增强型 SMD 版本，尺寸为 5mm x 4mm x 0.9mm。该产品是同类型产品中最高效的光电二极管，开口角度为 130°，在夏日阳光下以 0.52V 的电压产生约 2mA 的电流。这相当于约 13.8% 的效率。

维护任务中包含定期更换电池，错过维护时间会导致故障甚至在紧急情况下瘫痪的时代已经过去。后者是多年来的标准问题，例如，由于无线电连接不良或受到干扰，智能电表需要的功耗比模拟电表更多，而且更换频率必须高于制造商的预测。

维护成本和工作量有多重要？

早在 2019年《德国电信物联网指南》再次指出 “我们成千上万的设备需要较长的电池寿命，以避免高昂的更换费用”之前，众所周知，物联网和计量传感器的基本维护工作主要是频繁更换电池。

Vishay 在这一方面提供了真正的问题解决方案。另外，这也避免了大量电池导致的浪费，并且不会对环境产生额外的压力。

电池更换成本可以采用安装工程师一个小时的经常性劳动成本快速计算得出。与此相比，光伏电池和ENYCAP™ 升级组合成本仅为这一数字的5%，而且由于深度放电的稳定性大大提高，因此不需要任何监视工作。结果：安装后就不用管了。

典型的环境影响使许多物联网传感器竞品的寿命缩短。这主要是因为电池不能在 50°C 及以上的温度下使用，或者根据规格要求不得使用。

‍‍‍Vishay 考虑了这些方面，并开发了适用于 85°C 环境的ENYCAP™ 。最新的 SMD 版本甚至针对高温进行了优化。这对于室外应用场景尤其重要，尤其是考虑到平均温度和日照时间逐渐增加的情况。‍‍

在 5G 应用中，需要很多小基站，例如，安置在路灯周围，可以接受兼容的 IoT 传感器信号。Sigfox 是一家拥有自己基础设施的先驱。当然，新的 5G 技术使用现有的基础设施，因此，在这种情况下，每个智能家居、花园、农业或监视传感器也可以直接传输到 5G 网络。

Vishay 还成功参与了户外智能 IoT 传感器参考设计的开发，即直接传输到 5G 网络的土壤分析传感器。从理论上讲，所有无线电技术都可以通过光伏电池和深度循环 ENYCAP™ 概念进行改造或升级。然而，采用短突发传输的无线电标准是最佳选择，因为 ENYCAP™ 电容器的低 ESR 可以在最初几毫秒内得到充分利用。