詳細解析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