國內首款環境微能量采集與管理芯片，點起無源物聯網“十萬伏特”能量

近些年，隨著數字化轉型在各領域的不斷推進，來自底層的數據采集需求量激增，大量低功耗傳感設備被廣泛部署，但隨之而來的設備供電問題，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，嚴重影響物聯傳感的規模化部署，也制約了數字經濟的高質量發展。

無源物聯網技術的應用成為了這塊痛點的“良藥”，與其相關的技術和產品，也已成為各行各業競逐的焦點。IoT終端的網絡節點無需外接“能量源”，采用獲取環境能量（如太陽能、生物能、熱能或無線電波等）進行供能的物聯網技術，讓無源物聯網被視為實現“千億級萬物智聯”愿景的關鍵。無源物聯網自2021年站上風口以來，開始加速推進到各領域的應用當中。

目前無源物聯網技術已經嵌入了智慧交通、監控監測、環境監測、智慧農業和物流運輸等領域，響應“碳中和”的發展，無源物聯網正在成為物聯網產業的一個重要分支。

無源市場，方興未艾

隨著新興數字標簽技術的出現，在RFID的基礎上，無源物聯網進一步延伸拓展至 Wi-Fi、藍牙、UWB、LoRa、5G等蜂窩/非蜂窩技術的無源互聯。

其主要依托三類底層技術，分別是低功耗計算、低功耗通信和環境能量采集。其中環境能量采集的方式是指不依賴電池或電源線供電，而是通過捕捉環境中的能量，轉化為電能使用，能量的來源可包括光能、熱能、動能、射頻等。

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

根據《無源物聯網產業發展白皮書（2022）》指出，預計2025年前后，無源物聯網的市場規模將在310-510億元間，預測值中位數為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路線的市場規模均為千萬元級。

在不需要明確的電源供應的情況下，無源物聯網可以實現物聯網設備的遠程監測和管理。但是在環境能量采集和管理方面也存在一些困難。例如:

• 能量儲存: 無源物聯網設備需要能量來運行，但是很難儲存足夠的能量來滿足長期運行。

• 環境能量的不穩定性：太陽能和生物能等環境能量的供應是不穩定的，這可能導致無源物聯網設備無法正常工作。

• 環境影響: 外部環境變化，如氣候變化，可能會影響無源物聯網設備的性能。

因此，開發高效的能量采集和管理技術一直是無源物聯網的重要研究方向。

在“雙碳”政策的指引下，政府和企業對可持續能源和資源管理的日益關注，以及物聯網和數字技術的不斷發展，許多企業將會通過智能環境能量采集與管理解決方案來提高能源效率，并實現資源的最優利用。

提高能源效率和資源利用效率，同時促進更加可持續的能源和資源管理，讓環境能量采集與管理芯片被推上應用市場，它通過監測和分析能源使用情況，以提高能源效率和減少浪費。因此，環境能量采集與管理芯片是無源物聯網產業的一款必要產品。

環境能量采集芯片，實現國產突破

一直以來，環境能量采集都是極難研發的技術之一，而想將這些微能量采集并進行管理，其難度更是指數級提升，這也導致國內這一領域此前未曾有芯片類成果問世。

在環境能量采集與管理芯片的開發中，存在著這些難點：

能量采集精確性：目前主要的環境能量為射頻能、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）能量區間實現設備的穩定工作異常困難。

功耗問題：環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，對轉換效率和啟動電壓等設計也有著嚴苛的性能要求。

可靠性：采集環境能量以及管理，其存儲數據極為重要，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。

標準化問題: 環境能量采集和管理芯片的開發需要遵循一定的標準，以保證產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，研發出旗下首款環境微能量采集與管理芯片——FPM8100，該款芯片是國內無源物聯網領域的首款環境微能量采集與管理芯片，實現了國內該類芯片產品零的突破，填補了市場空白。

FPM8100芯片具有高效率、高穩定、超低功耗等優勢，可集成于各類低功耗傳感器之中使其能量自給。其關鍵性能指標對標甚至遠超國外同類型產品，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，已在工業監測、農業監測、資產風險管理等領域投入試用。隨著產品的不斷優化，其大規模應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；實現了380mV最低啟動電壓，并將靜態電流功耗控制在400nA~700nA，多電壓輸出及可達300mA峰值瞬時電流輸出；Boost-Buck轉換效率在10μW至500μW范圍內的效率不低于70%。

環境微能量采集與管理芯片FPM8100，主要以射頻能、溫差能、微光能、振動能等環境中常見能量為采集目標。可通過冷啟動電路(Cold Start)、能量選擇切換(Power Switch)、邏輯控制狀態機(State Machine)、儲能管理（Storage Management）等主要模塊將前端無序、低品質輸入能量，高效地管理、利用、存儲起來，形成新的“環境電池”形態，以實現對后端電路的穩定輸出。此外，高集成度的設計可以更容易進行二次開發和更精巧的設備尺寸管理。

根據市場研究公司的報告，隨著全球對可持續能源和資源管理的關注，全球環境能量采集與管理市場未來幾年會保持快速增長。環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，同時降低對環境的影響。

寫在最后

技術的迭代一定是科技行業的基調，創新突破可能是一個產業的革命。無源物聯網作為一張“以能量為中心，以數據為核心”的網，其存在的能源受限和連接不確定性一直是各大企業需要攻克的目標。

環境微能量采集與管理芯片FPM8100的正式發布，是飛英思特賦能各行業數字化轉型的重要一步，也是其實現萬物互聯道路上的一個關鍵里程碑。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”。

作為國內首款環境微能量采集與管理芯片，這款產品無疑標志著行業的一次重大突破。它不僅提高了能量利用效率，而且拓寬了環保技術的應用領域，實現了可持續發展。我們期待著這款芯片的更多應用，相信它將為行業帶來更多的創新發展。