有關(guān)微型能源采集技術(shù)的關(guān)鍵應用問(wèn)題及解決方案

假如要為手持終端、便攜式設備以及距離插座數英里之遙的固定設備供電，是否還有比電池更好的解決方案呢?

這一問(wèn)題的答案始終取決于應用技術(shù)的發(fā)展。但是，從環(huán)境中提取未利用能源的能源采集技術(shù)，正日益成為各種應用領(lǐng)域中有力的競爭方案。在過(guò)去幾年里，能源采集技術(shù)已走出實(shí)驗室，來(lái)到設計工程師的工作臺。在短期內，雖然能源采集技術(shù)還不會(huì )完全替代所有應用領(lǐng)域的電池，但它已顯現出眾多優(yōu)勢，比如：傳感器可無(wú)需更換電池或維護持續數年運行、低能耗、綠色環(huán)保，以及能為最終用戶(hù)帶來(lái)長(cháng)期的低成本效益。

幾十年來(lái)，在世界能源構成中，憑借風(fēng)能與太陽(yáng)能發(fā)電廠(chǎng)進(jìn)行的大規模能源采集雖然所占份額較小，但一直處于增長(cháng)態(tài)勢。2007年，全球光伏市場(chǎng)規模約為12億美元，逆變器出貨數量不足50萬(wàn)臺?，F在，從振動(dòng)、溫差、光及其他環(huán)境能源獲取毫瓦級電能的微型采集器也正在走向商業(yè)應用。幾毫瓦雖然微不足道，但非常適用于德州儀器(TI)等IC公司所開(kāi)發(fā)的超低功耗技術(shù)產(chǎn)品。圖1給出了大規模能源采集與微型能源采集之間的差異。

圖 1：大規模與微型能源采集技術(shù)的比較。

能源采集以多種方式開(kāi)辟了工程領(lǐng)域的新前景。此外，能源采集還要求工程師從能源角度出發(fā)修正自己的思維，特別是在能量管理設計的策略方面。雖然我們尚不能認為能源采集技術(shù)改寫(xiě)了電路設計中實(shí)現最佳能源效率的規則，但對眾多工程師而言，很多最佳的實(shí)踐操作都與直覺(jué)相反。

應用基本因素：市場(chǎng)

廣義上講，采集的能源包括各種能源，比如動(dòng)能(風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等)、電磁能(光伏、電磁波等)、熱能(太陽(yáng)熱能、地熱、溫度變化、燃燒等)、原子能(原子核能、放射性衰變等)或生物能(生物燃料、生物質(zhì)能等)。

由于能源采集技術(shù)廣泛而多樣化，因而很少會(huì )有人試圖估計整個(gè)市場(chǎng)的規模有多大，而且還有很多應用沒(méi)有被發(fā)現。目前，人們對微型能源采集技術(shù)市場(chǎng)的考察一般傾向于該技術(shù)明確可替代電池的細分市場(chǎng)。

根據市場(chǎng)調研公司Darnell Group的統計數據，到2012年將有2億個(gè)能源采集器與薄膜電池投入使用。汽車(chē)、家庭、工業(yè)、醫療、軍事以及航天等領(lǐng)域的能源采集應用市場(chǎng)將從2008年的1,350萬(wàn)套增長(cháng)到2013年的1.641億套。

要求遠程節點(diǎn)自動(dòng)運行數年的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )成為首要的目標應用。根據其位置的不同，這些傳感器節點(diǎn)可從光、振動(dòng)或其他來(lái)源采集能量。比如，鐘表、計算器以及藍牙耳機等都是光伏電池應用的潛在領(lǐng)域。此外，精工公司的Kinetic牌手表采用了將運動(dòng)能轉換為電能的技術(shù);Freeplay公司的EyeMax寬頻無(wú)線(xiàn)電廣播產(chǎn)品采用振動(dòng)能為無(wú)線(xiàn)電系統供電。

從體熱采集能量是最具吸引力的技術(shù)之一，精工公司的Thermic牌手表就是采用這種方案?？山y計從簡(jiǎn)單的脈搏頻率到ECG波等關(guān)鍵數據的新一代生物計量傳感器，甚至有可能以體熱作為能源。

轉換技術(shù)只是整個(gè)系統的一部分。典型的能源采集系統包括眾多組件，比如薄膜電池中的暫存器、大量復雜的能源管理電路、模擬轉換器以及超低功耗微處理器(MCU)。一個(gè)非常重要的設計目標是將電源電路與應用電路相匹配，以實(shí)現最佳總體性能。只要設計人員確信采集技術(shù)將支持這種產(chǎn)品，就能開(kāi)發(fā)出相關(guān)應用。

應用基本因素：能源的獲得

研究的初始階段，必須估算能量的可獲得性。圖2給出了四種環(huán)境下微型能源采集可提供的每單元能量的大約數據。

圖2：四種環(huán)境下的 能源采集估算。

下一步將*估可行系統 (viable system) 所能采集的能量。

由于采用大型太陽(yáng)能電池板，太陽(yáng)能光伏收集是一種高效率的收集技術(shù)。每100平方毫米光伏電池平均可產(chǎn)生大約1mW的電能。一般能源效率約為10%，容量比(平均產(chǎn)生的電能對太陽(yáng)持續照射時(shí)將產(chǎn)生電能的比率)約為15%~20%。

市場(chǎng)上出售的動(dòng)能收集系統可產(chǎn)生毫瓦級的電能。能量很有可能通過(guò)一個(gè)振蕩體(振動(dòng))而產(chǎn)生，但由壓電電池或彈性體收集的靜電能也屬于動(dòng)能范圍。橋梁等建筑物以及眾多工業(yè)與汽車(chē)結構可產(chǎn)生振動(dòng)能?；緞?dòng)能收集技術(shù)包括：(1)一個(gè)彈簧上的物體;(2)將線(xiàn)性運動(dòng)轉換為旋轉運動(dòng)的設備;(3)壓電電池。第(1)與第(2)項技術(shù)的優(yōu)勢是，電壓不取決于電源本身，而取決于轉換設計。靜電轉換可產(chǎn)生高達 1,000V或更高的電壓。

熱電收集技術(shù)利用了賽貝克(Seebeck)效應，即在兩個(gè)金屬或半導體之間存在溫差的情況下而產(chǎn)生電壓。熱電發(fā)電機(TEG)由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構成。最新型TEG在匹配負載下可產(chǎn)生0.7V輸出電壓，工程師在設計超低功耗應用時(shí)通常采用該電壓。所產(chǎn)生的電能取決于TEG的大小、環(huán)境溫度以及(當從人體收集熱能時(shí)的)新陳代謝活動(dòng)水平。

根據比利時(shí)研究機構IMEC公司的研究，在22℃時(shí)，手表型TEG在正?；顒?dòng)中可產(chǎn)生平均0.2~0.3mW的有用電能。一般情況下，一個(gè)TEG可持續為一個(gè)電池或超級電容器充電，但需要高級電源管理來(lái)優(yōu)化性能。

上述三種主流微能量采集來(lái)源都有幾個(gè)共同之處。他們都通常產(chǎn)生不穩定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的3.3V穩定電壓。此外，這三種技術(shù)提供的都是間斷電源，甚至有時(shí)根本就不能提供電源。因此，設計工程師需要使用電源轉換器與混合能源系統來(lái)解決這些問(wèn)題。

電源管理

電源管理才是真正值得探討的問(wèn)題。重要的邊界條件是，目前所討論的大多數微型采集器能源技術(shù)所產(chǎn)生的輸入電壓均小于0.5V。這么小的輸出電壓很難啟動(dòng)電源轉換器的電路。此外，二次損耗會(huì )對轉換效率產(chǎn)生影響。

在大多數情況下(并非所有情況下)，不可使用我們熟悉的線(xiàn)性穩壓器拓撲結構，因為線(xiàn)性穩壓器只能使電壓降低，而是更適合采用開(kāi)關(guān)穩壓器。通過(guò)切斷輸入信號，開(kāi)關(guān)穩壓器可以控制其幅度和頻率。此外，開(kāi)關(guān)拓撲結構只消耗很少的電能。但從另一方面講，開(kāi)關(guān)穩壓器會(huì )使信號頻譜發(fā)生改變，并導致頻率干擾。由于需要濾波器對輸出進(jìn)行控制，采用這種方案會(huì )導致成本的上升。

對工程設計人員來(lái)說(shuō)，能量采集技術(shù)實(shí)現的設計環(huán)境與以往有很大不同。在傳統的電源管理應用中，最節能的方法是采用高輸入電壓來(lái)啟動(dòng)，以便在小電流和低電能消耗的條件下完成轉換。

然而，能量采集應用中輸入電壓一般比較低，因此設計工程師所面臨的環(huán)境恰恰相反。在輸入電壓較低的情況下，若目標輸出電源能確定，則要求電源管理電路在較大電流下運行。大電流導致電源轉換器的尺寸增大，從而更難提高系統效率。

在輸入電壓不穩定且較低的情況下，實(shí)現低成本和低能耗濾波的基本方法有幾種。當然，選擇哪種方法需要權衡利弊。比如，采用較大的開(kāi)關(guān)可以減少電阻損耗，但更大的開(kāi)關(guān)會(huì )要求更大的啟動(dòng)電流，該開(kāi)關(guān)可能無(wú)法提供。此外，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率可以提高效率，但這要求采用較大的濾波器。

設計人員應記住的最重要一點(diǎn)是，對于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統來(lái)說(shuō)，管理電源所消耗的電能可能等于甚至大于系統所產(chǎn)生的電能。通常，像給MOSFET 柵極電容充電這樣簡(jiǎn)單的任務(wù)就可能消耗大量的電能。

在上述這些情況下，可以考慮使用電流源柵極充電，而不是電壓源柵極充電。使用電流源柵極充電的結果是，電路將變得更加復雜，但電能損耗和電路泄漏將得到更好的控制。