因應能量收集應用的超低功率需求

　　近年來(lái)，能量收集(energy harvesting)話(huà)題在電子設計群體內獲得了廣泛關(guān)注。通過(guò)能量收集過(guò)程，能夠捕獲、收集然后透過(guò)電子設備來(lái)利用小批量的能量，從而能夠完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，而無(wú)須在系統設計中集成傳統電源。然而，為了有效地實(shí)現能量收集，系統需要以盡可能最高的能效等級工作，不管是系統規定的構成元件，還是系統布設的方式，都是如此。下文將討論能量收集應用的幾項技術(shù)挑戰，以及創(chuàng )新的數字、模擬及電源管理半導體技術(shù)怎樣發(fā)揮關(guān)鍵作用來(lái)克服這些挑戰。

　　如今在利用能量收集(或清理)的應用包括建筑物自動(dòng)化系統、遠程監視器/數字采集設備及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。由于能量收集并不依賴(lài)于傳統形式的電源，它有兩種關(guān)鍵的生態(tài)優(yōu)勢。首先，它不會(huì )導致任何化石燃料儲備的耗盡;其次，它不會(huì )增加污染等級(因為沒(méi)有相應的碳排放或用后丟棄的電池)。除了免去繞線(xiàn)或線(xiàn)纜之需并因此提供便利性，對于原設備制造商(OEM)和系統集成商而言，這類(lèi)應用的真正優(yōu)勢在于，一旦真正就位，它實(shí)際上不會(huì )產(chǎn)生日常運行成本，因而不會(huì )收到公用事業(yè)機構的賬單或是成本高昂的替換電池上門(mén)服務(wù)等。

　　提取所要求的能量

　　可以采取多種方式來(lái)從環(huán)境中收集能量(取決于何種方式被證實(shí)最適合于特定應用背景)，產(chǎn)生的功率等級通常在10 µW至400 µW區間。 采用的機制包括溫差、動(dòng)力學(xué)(主要通過(guò)振動(dòng)運動(dòng))、太陽(yáng)能、壓電效應、熱電效應及電磁。然而，可能除了太陽(yáng)能外，有關(guān)能量采集是“免費”能量的認知并不是完全準確。其于振動(dòng)或溫度梯度的能源利用了大量源自系統的浪費能量。因此，須顧及維修及維護成本因素。

　　通過(guò)收集過(guò)程產(chǎn)生的能量可以用于多種方式，例如：

　　1. 開(kāi)關(guān)(建筑物自動(dòng)化) – 施加在開(kāi)關(guān)上使其導通或關(guān)閉的機械力足以產(chǎn)生相當于數毫焦耳(mJ)的能量來(lái)運行無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。這種方式發(fā)送射頻(RF)信號來(lái)啟動(dòng)門(mén)鎖或燈。這種方式由于不需要繞線(xiàn)，故提供后勤維護及審美上的效果。

　　2. 溫度傳感器(建筑物自動(dòng)化) – 環(huán)境空氣與加熱器之間的溫差能提供將溫度數據以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送回給調節系統所需的能量。

　　3. 空調(建筑物自動(dòng)化) – 空調導管的振動(dòng)能用于通過(guò)電磁感應產(chǎn)生電氣信號?？照{可以通過(guò)此信號來(lái)控制。

　　4. 遠程監控(工業(yè)/環(huán)境) – 其形式可能是無(wú)人值守氣象臺、化工廠(chǎng)的氣體感測系統、海嘯警示系統等。太陽(yáng)能電池或小型風(fēng)力渦輪機可以提供所要求的能量。

　　5. 醫療植體(保健) – 諸如血糖監測儀，此類(lèi)應用中，熱量或人體活動(dòng)使置于病人皮膚上的低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器能夠將數據反饋至診療中心，而無(wú)需包含電池(因而提升病人的舒適度，并減少不便利體驗)。

　　6. 手表(消費) – 太陽(yáng)能或運動(dòng)能量能用于支援無(wú)電池手表的工作。

　　7. 胎壓監測(TPMS，汽車(chē)應用) – 使用表面聲波(SAW)傳感技術(shù)， 有可能規避因安裝電池及在各個(gè)汽車(chē)輪胎上配合溫度/壓力傳感器所需的復雜電子電路產(chǎn)生的問(wèn)題，因而縮短物料單(BOM)成本及所需的工程資源。

　　系統設計考慮因素

　　由于要處理的能量?jì)H為微瓦(µW)級，顯而易見(jiàn)的是，采取一切可能的措施來(lái)最充分利用能量至關(guān)重要。工程師需要努力工作以避免浪費。這涉及到硬件及軟件考慮因素，能夠通過(guò)應用高能效的元器件及確保充分的設計優(yōu)化來(lái)實(shí)現。至關(guān)重要的是，電子系統包含由智能電源管理組成的低壓電路?？赡苓€需要考慮到能量存儲問(wèn)題，因為這些系統工作的零散(sporadic)屬性表示，在許多情況下，能量被采集的時(shí)間與能量后來(lái)被利用的時(shí)間之間沒(méi)有直接關(guān)聯(lián)。使用的存儲方法必須采用低壓工作，并帶有大充電電流能力、適當的放電能力，以及很可能完全無(wú)自放電能力。處于系統核心的數字IC必須能夠提供超足量的處理器性能，以承擔系統工作，同時(shí)還要能夠配合低壓工作，從而不超過(guò)功率預算。此外，這數字IC的性?xún)r(jià)比必須足夠高，使其應用不會(huì )太過(guò)于影響跟系統相關(guān)的總體支出，否則的系統的價(jià)格會(huì )太高，無(wú)法部署在前方論及的許多能量收集應用中。

　　通常情況下，如果有需要增強性能等級、提供更大程度的優(yōu)化或提高集成度，OEM就會(huì )考慮采取定制方法，從項目開(kāi)始就與專(zhuān)用集成電路(ASIC)供應商合作。不利的是，這種方法并不總是可行，因為它要求大量的前期財務(wù)投資以支付一次性工程(NRE)成本，隨后還必須有足夠大的批量以收回投資。許多能量收集應用并沒(méi)有足夠大的批量來(lái)采取這種方法，但另一方面，在后續流程上僅是將現成元件布設到一起的工程師很可能無(wú)法將系統能效提升至最高。令情況更糟糕的是，開(kāi)發(fā)過(guò)程很可能要求大量的時(shí)間和工程資源。