能量采集系統(tǒng)環(huán)境能量轉(zhuǎn)換器基礎(chǔ)知識(shí)

近來，精密的電池供電型電子系統(tǒng)和自供電設(shè)備，在現(xiàn)有自主手持設(shè)備領(lǐng)域延伸出一些不同的應(yīng)用。CMOS 處理技術(shù)和電路技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)步，降低了電路的功耗，使得新型自主供電系統(tǒng)成為可能。這些進(jìn)步帶來大量新興應(yīng)用，例如：無線微傳感器網(wǎng)絡(luò)、可穿戴醫(yī)療電子設(shè)備、工業(yè)及家庭自動(dòng)化傳感器和電子貨架標(biāo)簽。理想情況下，這些系統(tǒng)都可以在沒有電池的情況下正常工作。但是，當(dāng)要求使用電池時(shí)，我們?nèi)匀恍枰M力延長電池使用時(shí)間，這樣系統(tǒng)便可在其壽命周期內(nèi)無需更換電池。理解能量轉(zhuǎn)換器工作原理以及如何使用它來提供能源，是達(dá)到上述目標(biāo)的基本要求。自供電系統(tǒng)要求有一個(gè)能量來源，以在其壽命周期內(nèi)維持正常的工作。根據(jù)不同的能量來源，可將商用能量轉(zhuǎn)換器分為如下四類：1）光：太陽能電池由 p-n 晶體陣列組成，利用光伏效應(yīng)工作。2）熱：利用熱電組件采集環(huán)境熱能。3）振動(dòng)：振動(dòng)能量采集器通過電磁或者壓電方法利用振動(dòng)機(jī)械能，從而產(chǎn)生電能。4）無線電波：無線電波能量采集方法使用定向解決方案時(shí)較為有效，但在使用環(huán)境能量時(shí)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)并無太多有用的功率。

表1能量采集器的典型輸出功率能量采集源環(huán)境位置采集功率采集器考慮因素電路考慮因素光室內(nèi)10 µW/cm²光照強(qiáng)度與波長低功效、MPPT、單節(jié)電池工作戶外10 mW/cm²機(jī)械振動(dòng)壓電人4 µW/cm²振動(dòng)大小與諧振頻率AC/DC 轉(zhuǎn)換、阻抗匹配機(jī)器250 µW/cm²機(jī)械振動(dòng)電磁人50 µW/cm³機(jī)器2 mW/cm³熱人25 µW/cm²熱梯度，熱通量低壓啟動(dòng)、亞200 mV 輸入高效率機(jī)器10 mW/cm²無線電波背景0.1 µW/cm²到發(fā)射源距離和天線諧振高效率低壓整流定向1 mW/cm²表1 顯示了來自不同能量轉(zhuǎn)換器的典型功率級(jí)別以及采集器的重要考慮因素。在一般情況下，大多數(shù)采集器都可以提供 ~10-50 µW/cm²左右的平均功率。所獲功率的大小與采集器面積有關(guān)，并嚴(yán)重依賴于采集器的可用空間。利用一個(gè)太陽能電池例子，我們可以描述出采集器的一些特性。太陽能電池可以建模為一個(gè)與二極管并聯(lián)的電流源，如圖1 所示。分流電阻對(duì)漏電建模，而串聯(lián)電阻對(duì)接觸電池電阻建模。圖1光伏電池及其特性曲線的電氣模型當(dāng)光線照在太陽能電池上時(shí)，電池產(chǎn)生一個(gè)流過輸出端的電流 I_PH。電池為開路時(shí)，該電流在輸出端形成電壓 V_OC。在開路和短路兩種極端情況之間，電池產(chǎn)生功率。圖1 中，紅色曲線表示太陽能電池的電流對(duì)比電壓特性。照度增加，短路電流增加，并對(duì)電池開路電壓產(chǎn)生微弱影響。從太陽能電池獲得的功率在某個(gè)特定的電壓下達(dá)到最大，然后在該電壓任意一端逐漸下降。這就是電池的最大功率點(diǎn)。它與入射光及其他環(huán)境因素有關(guān)，例如：溫度等。由于其高阻抗特性，其他轉(zhuǎn)換器都具有類似的最大功率點(diǎn) (MPP) 特性。因此，如何選擇一種電源管理解決方案，讓其能夠工作在 MPP 下，是我們需要考慮一個(gè)的關(guān)鍵因素。熱電發(fā)電機(jī) (TEG) 用于采集環(huán)境熱能，并根據(jù)塞貝克效應(yīng) Seebeck effect ^「1」產(chǎn)生電壓。熱采集器的基本結(jié)構(gòu)單元是熱電耦。這種熱電耦由一個(gè) n 型材料組成，其與一個(gè) p 型材料串聯(lián)。當(dāng)這種材料出現(xiàn)溫差時(shí)，熱開始從高溫面流向低溫面。熱能使自由電子和空穴移動(dòng)，并形成電勢。常用熱采集器由 p 和 n 摻雜碲化鉍組成，原因是其具有優(yōu)異的熱屬性。這種材料的一個(gè) p-n 腳可在熱冷面之間產(chǎn)生約 0.2 mV/K 溫差。圖2熱電堆陣列和簡單的TEG 電氣模型為了升高輸出電壓并獲得更多的功率（參見圖2），我們將許多腳電串聯(lián)和熱并聯(lián)，以形成一個(gè)能夠產(chǎn)生約 25 mV/K 溫差的熱電堆。這種熱能采集器可以建模為一個(gè)同電阻串聯(lián)的電壓源，其開路電壓與溫度差成比例關(guān)系。電阻來自于金屬互連和芯塊邊緣的電阻。由此模型，我們可以很容易地知道，要想提取最大功能，就需要對(duì)阻抗進(jìn)行控制，以匹配來自發(fā)電機(jī)的負(fù)載。熱能采集器的一個(gè)重要方面是，它們周圍需要一個(gè)正確的熱流系統(tǒng)，以保持熱通量以及良好的溫差。如果 TEG 兩面均允許達(dá)到熱平衡，則電功率輸出達(dá)到零。采集環(huán)境機(jī)械能的一種普遍方法是利用壓電組件。圖3 所示壓電材料承受的輸入振動(dòng)，在器件中引起機(jī)械應(yīng)變，之后轉(zhuǎn)換為電荷。PE采集器的等效電路可以表示為一個(gè)機(jī)械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，其與一個(gè)電氣域聯(lián)接。仔細(xì)觀察器件的諧振頻率，我們可以將整個(gè)電路變換為電氣域^[2]。這樣，當(dāng)受到正弦振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，便可將壓電組件建模為一個(gè)正弦電流源，其與電容 C_P和電阻 R_P并聯(lián)。圖3某個(gè)質(zhì)量及其電氣建模加載的壓電組件另外，我們還可以利用電磁采集器來采集機(jī)械能，它通過磁場來利用動(dòng)能產(chǎn)生電能。為了最大化功率輸出，需要對(duì)采集器進(jìn)行微調(diào)，讓其達(dá)到應(yīng)用環(huán)境的最佳諧振頻率，并對(duì)整流阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)以使其匹配²。相比壓電采集器，這些器件的調(diào)節(jié)更加簡單，很容易獲得理想的功率輸出。但是，這兩種機(jī)械能轉(zhuǎn)換器本身都具有諧振，并且工作頻段較窄。結(jié)論總之，理解能量轉(zhuǎn)換器的特性非常重要。只有理解了它們的特性，才能優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換，制造出一種可行的能量采集系統(tǒng)。能量轉(zhuǎn)換器電源管理的一些重要考慮因素包括能量源屬性、能量轉(zhuǎn)換器特性和電源管理性能。匹配電源管理解決方案以從轉(zhuǎn)換器中獲得最大輸出功率并將其有效存儲(chǔ)，要求我們深入地理解上述重要參數(shù)。它可以幫助我們開發(fā)出擁有最佳性能的能量采集系統(tǒng)，更好地服務(wù)于目標(biāo)應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1、塞貝克效應(yīng)：http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect2、《低功耗應(yīng)用能量處理電路》，作者：Y. K. Ramadass，刊發(fā)于 2009 年麻省理工學(xué)院博士論文。

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