假如要為手持終端、便攜式設備以及距離插座數(shù)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?
這一問題的答案始終取決于應用技術的發(fā)展。但是，從環(huán)境中提取未利用能源的能源采集技術，正日益成為各種應用領域中有力的競爭方案。在過去幾年里，能源采集技術已走出實驗室，來到設計工程師的工作臺。在短期內，雖然能源采集技術還不會完全替代所有應用領域的電池，但它已顯現(xiàn)出眾多優(yōu)勢，比如：傳感器可無需更換電池或維護持續(xù)數(shù)年運行、低能耗、綠色環(huán)保，以及能為最終用戶帶來長期的低成本效益。
幾十年來，在世界能源構成中，憑借風能與太陽能發(fā)電廠進行的大規(guī)模能源采集雖然所占份額較小，但一直處于增長態(tài)勢。2007年，全球光伏市場規(guī)模約為12億美元，逆變器出貨數(shù)量不足50萬臺?，F(xiàn)在，從振動、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公司所開發(fā)的超低功耗技術產(chǎn)品。圖1給出了大規(guī)模能源采集與微型能源采集之間的差異。
圖 1：大規(guī)模與微型能源采集技術的比較。
能源采集以多種方式開辟了工程領域的新前景。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改寫了電路設計中實現(xiàn)最佳能源效率的規(guī)則，但對眾多工程師而言，很多最佳的實踐操作都與直覺相反。
應用基本因素：市場
廣義上講，采集的能源包括各種能源，比如動能(風、波、重力、振動等)、電磁能(光伏、電磁波等)、熱能(太陽熱能、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、生物質能等)。
由于能源采集技術廣泛而多樣化，因而很少會有人試圖估計整個市場的規(guī)模有多大，而且還有很多應用沒有被發(fā)現(xiàn)。目前，人們對微型能源采集技術市場的考察一般傾向于該技術明確可替代電池的細分市場。
根據(jù)市場調研公司Darnell Group的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，到2012年將有2億個能源采集器與薄膜電池投入使用。汽車、家庭、工業(yè)、醫(yī)療、軍事以及航天等領域的能源采集應用市場將從2008年的1,350萬套增長到2013年的1.641億套。
要求遠程節(jié)點自動運行數(shù)年的無線傳感器網(wǎng)絡成為首要的目標應用。根據(jù)其位置的不同，這些傳感器節(jié)點可從光、振動或其他來源采集能量。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域。此外，精工公司的Kinetic牌手表采用了將運動能轉換為電能的技術;Freeplay公司的EyeMax寬頻無線電廣播產(chǎn)品采用振動能為無線電系統(tǒng)供電。
從體熱采集能量是最具吸引力的技術之一，精工公司的Thermic牌手表就是采用這種方案?？山y(tǒng)計從簡單的脈搏頻率到ECG波等關鍵數(shù)據(jù)的新一代生物計量傳感器，甚至有可能以體熱作為能源。
轉換技術只是整個系統(tǒng)的一部分。典型的能源采集系統(tǒng)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，以實現(xiàn)最佳總體性能。只要設計人員確信采集技術將支持這種產(chǎn)品，就能開發(fā)出相關應用。
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(shù)據(jù)。
圖2：四種環(huán)境下的 能源采集估算。
下一步將*估可行系統(tǒng) (viable system) 所能采集的能量。
由于采用大型太陽能電池板，太陽能光伏收集是一種高效率的收集技術。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)生的電能對太陽持續(xù)照射時將產(chǎn)生電能的比率)約為15%~20%。
市場上出售的動能收集系統(tǒng)可產(chǎn)生毫瓦級的電能。能量很有可能通過一個振蕩體(振動)而產(chǎn)生，但由壓電電池或彈性體收集的靜電能也屬于動能范圍。橋梁等建筑物以及眾多工業(yè)與汽車結構可產(chǎn)生振動能?；緞幽苁占夹g包括：(1)一個彈簧上的物體;(2)將線性運動轉換為旋轉運動的設備;(3)壓電電池。第(1)與第(2)項技術的優(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。
熱電收集技術利用了賽貝克(Seebeck)效應，即在兩個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的)新陳代謝活動水平。
根據(jù)比利時研究機構IMEC公司的研究，在22℃時，手表型TEG在正常活動中可產(chǎn)生平均0.2~0.3mW的有用電能。一般情況下，一個TEG可持續(xù)為一個電池或超級電容器充電，但需要高級電源管理來優(yōu)化性能。
上述三種主流微能量采集來源都有幾個共同之處。他們都通常產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的3.3V穩(wěn)定電壓。此外，這三種技術提供的都是間斷電源，甚至有時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(tǒng)來解決這些問題。
電源管理
電源管理才是真正值得探討的問題。重要的邊界條件是，目前所討論的大多數(shù)微型采集器能源技術所產(chǎn)生的輸入電壓均小于0.5V。這么小的輸出電壓很難啟動電源轉換器的電路。此外，二次損耗會對轉換效率產(chǎn)生影響。
在大多數(shù)情況下(并非所有情況下)，不可使用我們熟悉的線性穩(wěn)壓器拓撲結構，因為線性穩(wěn)壓器只能使電壓降低，而是更適合采用開關穩(wěn)壓器。通過切斷輸入信號，開關穩(wěn)壓器可以控制其幅度和頻率。此外，開關拓撲結構只消耗很少的電能。但從另一方面講，開關穩(wěn)壓器會使信號頻譜發(fā)生改變，并導致頻率干擾。由于需要濾波器對輸出進行控制，采用這種方案會導致成本的上升。
對工程設計人員來說，能量采集技術實現(xiàn)的設計環(huán)境與以往有很大不同。在傳統(tǒng)的電源管理應用中，最節(jié)能的方法是采用高輸入電壓來啟動，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(tǒng)效率。
在輸入電壓不穩(wěn)定且較低的情況下，實現(xiàn)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，采用較大的開關可以減少電阻損耗，但更大的開關會要求更大的啟動電流，該開關可能無法提供。此外，通過降低開關頻率可以提高效率，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是，對于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統(tǒng)來說，管理電源所消耗的電能可能等于甚至大于系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能。通常，像給MOSFET 柵極電容充電這樣簡單的任務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。
另外，也可以考慮使用一個以上的電源轉換器。圖3所示的同步整流器電路雖不能提供穩(wěn)定的電源，但它是對向另一個效率更高的電源轉換器的定期發(fā)送高功率脈沖的電容，進行充電的良好解決方案。這個效率更高的轉換器負責處理應用電路所需的信號調節(jié)。
圖 3：同步整流器電路。
在一些應用中，另一種柵極電荷操作(即使用電壓源柵極電荷電路)可大大提高效率。這種方法可將電路中的幾個晶體管從小到大進行排列(如圖4所示)。
圖4：晶體管寬度轉換帶來的效率優(yōu)勢。
伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設計的電路也可以自動檢測功耗，并同時可采用適當尺寸和數(shù)量的晶體管來保持高效率。較高值的晶體管可在高功率情況下使用，當系統(tǒng)以待機功率水平運行時，可采用較小的晶體管。圖4顯示了這種方案比不按晶體管尺寸進行優(yōu)化的方案更具有優(yōu)勢。
在實施上述方案時應記住，設計最高效的轉換器可產(chǎn)生最多能量的傳統(tǒng)功率轉換方式并不總是適用于微型能量采集。應將對整個系統(tǒng)的能量輸出進行優(yōu)化作為追求的目標。有時，這意味著設計方案并不以系統(tǒng)各部分均達到最高效率為目標。
對IC的判定選擇
設計人員必須清楚其選擇 IC 技術的含義。至少在潛意識中，每個人都意識到高級技術節(jié)點能生產(chǎn)出更高效率的半導體器件。在常規(guī)電路設計中，常常會忽視這種差別，因為亞微米器件的成本優(yōu)勢被認為超過其效率所帶來的優(yōu)勢。微型能量采集應用改變了這個規(guī)則。
比如，對于早期能量采集應用，伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設計的小型電源轉換器通過采用1.5μm工藝和8μm電感器構建的IC可實現(xiàn)53%的效率。在考慮如何改進轉換器時，對于采用不同工藝技術和電感器尺寸的各種組合可能達到的不同效率，設計小組進行了計算。
圖5顯示了計算結果。根據(jù)計算，最先進的技術組合(采用銅互連技術的0.25μm工藝技術與25μm感應器)可實現(xiàn)81%的效率。此外，圖5也顯示了在哪些地方可避免損耗。
圖 5：采用高級 IC工藝技術可顯著提升效率。
應用的其他部分也需要采用高級工藝技術的IC，包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平臺就是一個很好的例子，該MCU在工作狀態(tài)的功耗僅為160uA/MHz，在待機狀態(tài)的功耗還不到500nA。此外，TI提供的器件還可在緊湊的單芯片設計中，將TI超低功耗MCU與高度靈活的射頻 (RF)收發(fā)器結合在一起，以實施無需線纜或電池即能檢測并報告工廠、汽車、辦公室、家庭以及其他環(huán)境中緊急情況的環(huán)境感知智能。例如，AdaptivEnergy的免電池Joule-Thief技術與完美結合的TI MSP430微處理器、RF以及eZ430-RF2500開發(fā)套件，可實現(xiàn)多領域環(huán)境智能。圖 6 給出了 Joule-Thief 系統(tǒng)方框圖。
圖 6：Joule-Thief技術的系統(tǒng)方框圖。
實現(xiàn)微觀層面的能量采集以及最大程度的節(jié)能，為工程師提供了新的發(fā)展空間，同時也提出了許多嚴峻挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)將帶來諸多益處，包括可進一步開發(fā)“永續(xù)”電子設備、降低系統(tǒng)生命周期成本、減少產(chǎn)品的環(huán)境影響等。令人振奮的是，現(xiàn)在工具已準備就緒，可隨時啟動開發(fā)工作。
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