無電池系統設計 讓IoT裝置不用換電池

5G的高傳輸技術特性，帶動人工智慧物聯網(AIoT)趨勢崛起，連網裝置數量的快速成長也在預料之中，在這兩年之間甚至將突破千億個，這些聯網裝置的「電」從何而來？

在聯網裝置中，手機即使需要每天充電，也不會造成太大困擾；然而其他近千億個裝置即使一個月或一年才需更換一次電池，但由於數量龐大且可能位於偏遠之處(例如環境偵測器被放置於農林漁牧場域)，因此電池更換費時且困難，造成龐大的人力和成本負擔。有鑑於此，在某些電力需求不是太大的特定應用中，無電池系統受到期待。

太陽能和溫度差發電最具潛力

無電池系統如何實現？對於晶片設計而言，太陽能、溫度差發電、振動發電、射頻(RF)能量傳輸等擷能和傳能技術都是可行的方法。關於這些技術，近年國際會議上已有許多相關論文發表。

交通大學電子研究所教授陳柏宏指出，「在這些技術中，太陽能和溫度差發電之所以受到看好，是因為功率密度相對較高，單位面積能提供的能量較大，所以較具應用實現潛能。」在各種無電池系統技術中，溫度差發電較適用於人體生理信號的感測，不過，目前溫度差發電的能量相較於太陽能仍然偏低，且太陽能取得相對容易，因此無電池系統設計仍以太陽能發電為主。

陳柏宏研究團隊近年致力於發展電源積體電路、能源擷取電路、無線電力傳輸電路、低功率電源積體電路等，研發創新的電路技術及系統架構，可將技術整合至物聯網裝置、穿戴式裝置、生醫電子裝置中，提升裝置能源效率及電池續航力。

低功耗感測裝置，適用無電池設計

無電池系統的應用，主要是鎖定傳輸資料次數少且時間短的感測裝置。舉例來說，某個裝置也許1小時內只有1毫秒需利用較大電力來傳輸資料，其他時間僅進行低耗電的偵測和資料儲存，因此無電池系統可以利用絕大部分的時間儲存能量，為資料傳輸的那一毫秒鐘做好供電準備。目前尚未有相關產品問世，但一般認為此應用實現的可能性極高。

陳柏宏指出，「愈來愈多企業正在開發事件驅動的系統，整體平均耗電不高，可以整合採用太陽能、溫度差發電等技術，打造成無電池系統。」在應用方面，物流管理、人和物品的室內定位、商品管理等等，這些都是無電池系統可以發揮的情境。

特定應用規模不大，市場尚未成形

整體來看，目前市面上的物聯網裝置產品仍多採用較高功率設計，很少有產品可以滿足99%時間休眠、1%時間啟動的條件，因此無電池系統仍是無用武之地，「技術是可行的，但仍需有產業鏈其他環節的配合，才有可能促成無電池系統應用的發展。」陳柏宏說。

無電池系統無法快速商業化的另一個原因，在於特定應用的電源晶片都需經過特別設計，然而每一個利基市場的需求規模都不大，不符開發成本效益，導致大部分企業即使了解無電池系統的好處且是未來所需，仍然卻步不前。

陳柏宏團隊與產業界有許多合作，多與智慧電源管理有關，至於無電池系統設計則屬於該研究室的前瞻研究，目前仍然持續投入中，且研究成績已在國際間取得領先地位。期待無電池系統的早日商用，可以一勞永逸解決上千億個物聯網裝置更換電池的大麻煩。