在過去的十年間里，物聯(lián)網傳感器設備以它可實現(xiàn)的更智能、更便捷、更廣泛的連接引發(fā)了業(yè)界和大眾媒體的關注，在提高農業(yè)作物產量、道路交通流暢、工廠生產效率等方面發(fā)揮了積極的作用。可以說，幾乎各個行業(yè)都在采用物聯(lián)網傳感器和智能設備變革企業(yè)的運營模式。鑒于物聯(lián)網所展現(xiàn)出的種種優(yōu)勢，Machina Research預計2025年全球物聯(lián)網設備（包括蜂窩及非蜂窩）聯(lián)網數(shù)量將達到252億個。

物聯(lián)網的大規(guī)模應用無疑是令人鼓舞的，但隨著全球數(shù)字化進程加快，一個共同的痛點浮現(xiàn)在人們眼前：物聯(lián)網傳感器設備的電池壽命是有限的，龐大的電池數(shù)量不僅帶來了高昂的維護成本，廢棄后的電池還會給環(huán)境保護帶來更大的負擔。

種種因素驅使著物聯(lián)網開發(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生的電力，這種技術被統(tǒng)稱為能量采集技術。其原理主要是通過采集環(huán)境當中的光能、溫差、振動、射頻（RF）等能量，并將其轉化為電能。以這種方式產生的電力可以存儲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，但難點在于這些能量強度較為微弱，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計思路。

能量收集源有很多選擇，例如局部熱量或振動，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，真的會浪費。299792458米/秒的速度永遠持續(xù)下去。

這就是為什么杜克大學最近的發(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建900 MHz 到 DC 的換能器。研究人員表示，他們的設備可實現(xiàn) 37% 的效率。這非常令人印象深刻，尤其是當我們考慮到好的太陽能電池達到 10% 左右并且（出于明顯的原因）不能 24/7 全天候使用時。

我對杜克大學關于這一發(fā)展的新聞稿持懷疑態(tài)度。為了讓觀眾了解這個概念，作者說，通過串聯(lián)使用超材料單元，該設備能夠產生 7.3 V 的輸出，高于標準 USB 端口。

盡管這實際上是正確的，但暗示這種超材料面板可以充當 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 中的完整技術論文顯示，研究人員在 70-Ω 負載中產生了大約 100 mA 的電流，這非常令人印象深刻。

7.3 V 標簽讓我想到工程師與電壓和電流之間的愛/恨關系，因此與能量和功率（能量傳遞的速率）。有時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。當我們想要進行諸如驅動電機之類的實際工作時，我們將需要更多的電流來提供動力——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，智能手機所需的電壓和電流由專為極低電壓設計的 IC 決定，這是由于低功耗的必要性。一般來說，低個位數(shù)的電壓很難有效地工作——不是因為電阻損耗，而是因為不可避免的 0.6 到 0.8 V 的二極管壓降可能會大大占用我們的可用電源電壓。

我們如何選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。對于某些情況，例如氣體電離或智能手機，我們別無選擇；這些數(shù)字由物理、可用組件或行業(yè)標準決定。在其他情況下，工程師可以靈活選擇（在限制范圍內）。關鍵是要找到在電力輸送、系統(tǒng)效率、可用組件、安全要求（在不同級別啟動）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衡的決定的？