國內(nèi)首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，點起無源物聯(lián)網(wǎng)“十萬伏特”能量

近些年，隨著數(shù)字化轉(zhuǎn)型在各領(lǐng)域的不斷推進，來自底層的數(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，但隨之而來的設(shè)備供電問題，例如電池更換、意外斷電、日常運維等，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)濟的高質(zhì)量發(fā)展。

無源物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用成為了這塊痛點的“良藥”，與其相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品，也已成為各行各業(yè)競逐的焦點。IoT終端的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點無需外接“能量源”，采用獲取環(huán)境能量（如太陽能、生物能、熱能或無線電波等）進行供能的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓無源物聯(lián)網(wǎng)被視為實現(xiàn)“千億級萬物智聯(lián)”愿景的關(guān)鍵。無源物聯(lián)網(wǎng)自2021年站上風(fēng)口以來，開始加速推進到各領(lǐng)域的應(yīng)用當(dāng)中。

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

無源市場，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，無源物聯(lián)網(wǎng)進一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術(shù)的無源互聯(lián)。

其主要依托三類底層技術(shù)，分別是低功耗計算、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，而是通過捕捉環(huán)境中的能量，轉(zhuǎn)化為電能使用，能量的來源可包括光能、熱能、動能、射頻等。

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

根據(jù)《無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2022）》指出，預(yù)計2025年前后，無源物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模將在310-510億元間，預(yù)測值中位數(shù)為410億元。且在2025年，光能采集、振動能量采集以及溫差能量采集三種技術(shù)路線的市場規(guī)模均為千萬元級。

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

能量儲存:無源物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要能量來運行，但是很難儲存足夠的能量來滿足長期運行。

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

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

因此，開發(fā)高效的能量采集和管理技術(shù)一直是無源物聯(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)將會通過智能環(huán)境能量采集與管理解決方案來提高能源效率，并實現(xiàn)資源的最優(yōu)利用。

提高能源效率和資源利用效率，同時促進更加可持續(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，它通過監(jiān)測和分析能源使用情況，以提高能源效率和減少浪費。因此，環(huán)境能量采集與管理芯片是無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的一款必要產(chǎn)品。

環(huán)境能量采集芯片，實現(xiàn)國產(chǎn)突破

一直以來，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行管理，其難度更是指數(shù)級提升，這也導(dǎo)致國內(nèi)這一領(lǐng)域此前未曾有芯片類成果問世。

在環(huán)境能量采集與管理芯片的開發(fā)中，存在著這些難點：

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、能量的隨機性以及能量的震動性，讓納瓦（nW）至微瓦（μW）能量區(qū)間實現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定工作異常困難。

功耗問題：環(huán)境能量采集芯片需要長時間運行，因此需要更低的功耗，不僅如此，對轉(zhuǎn)換效率和啟動電壓等設(shè)計也有著嚴(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。

成本問題：需要在保證性能和效率的同時降低成本，以提高市場競爭力。

標(biāo)準(zhǔn)化問題:環(huán)境能量采集和管理芯片的開發(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外宣告，前后歷時2年，研發(fā)出旗下首款環(huán)境微能量采集與管理芯片——FPM8100，該款芯片是國內(nèi)無源物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，實現(xiàn)了國內(nèi)該類芯片產(chǎn)品零的突破，填補了市場空白。

FPM8100芯片具有高效率、高穩(wěn)定、超低功耗等優(yōu)勢，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)對標(biāo)甚至遠超國外同類型產(chǎn)品，為我國的低功耗芯片市場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、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、資產(chǎn)風(fēng)險管理等領(lǐng)域投入試用。隨著產(chǎn)品的不斷優(yōu)化，其大規(guī)模應(yīng)用的時間將進一步縮短。

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；實現(xiàn)了380mV最低啟動電壓，并將靜態(tài)電流功耗控制在400nA~700nA，多電壓輸出及可達300mA峰值瞬時電流輸出；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、振動能等環(huán)境中常見能量為采集目標(biāo)。可通過冷啟動電路(Cold Start)、能量選擇切換(Power Switch)、邏輯控制狀態(tài)機(State Machine)、儲能管理（Storage Management）等主要模塊將前端無序、低品質(zhì)輸入能量，高效地管理、利用、存儲起來，形成新的“環(huán)境電池”形態(tài)，以實現(xiàn)對后端電路的穩(wěn)定輸出。此外，高集成度的設(shè)計可以更容易進行二次開發(fā)和更精巧的設(shè)備尺寸管理。

根據(jù)市場研究公司的報告，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未來幾年會保持快速增長。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，同時降低對環(huán)境的影響。

寫在最后

技術(shù)的迭代一定是科技行業(yè)的基調(diào)，創(chuàng)新突破可能是一個產(chǎn)業(yè)的革命。無源物聯(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，也是其實現(xiàn)萬物互聯(lián)道路上的一個關(guān)鍵里程碑。這款低功耗、高集成的芯片，將會在“無源”歷史上留下一個深刻“腳印”。

作為國內(nèi)首款環(huán)境微能量采集與管理芯片，這款產(chǎn)品無疑標(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)帶來更多的創(chuàng)新發(fā)展。