超低功耗元件技術(shù)成熟　能源采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我供電

超低功耗(Ultra-low Power, ULP)技術(shù)正廣泛地讓各式各樣的能源採(cǎi)集新應(yīng)用成真。自給自足式(Self-sustaining)裝置可以透過(guò)採(cǎi)集小額環(huán)境能源，且不太須要維護(hù)功夫，即可永久(Perpectual)或近乎永久地運(yùn)作。這些新系統(tǒng)逐漸應(yīng)用在工業(yè)與消費(fèi)性電子產(chǎn)品中，也可望大幅改變醫(yī)藥與保健科技。

不久之前，採(cǎi)集微量能源或周遭微小能源以發(fā)動(dòng)電子系統(tǒng)，聽(tīng)來(lái)仍是遙不可及的概念，僅限于研究提案或?qū)嶒?yàn)題材。今日已有愈來(lái)愈多系統(tǒng)開(kāi)始善用在過(guò)往遭到浪費(fèi)的環(huán)境能源，如光線、震動(dòng)等，供應(yīng)電源線路或電池維護(hù)不易的設(shè)備。能源採(cǎi)集技術(shù)正迅速拓展至各種新應(yīng)用，例如工業(yè)領(lǐng)域常運(yùn)用感測(cè)器，從遠(yuǎn)距設(shè)備與有害製程中收集資訊；消費(fèi)性電子藉此達(dá)到行動(dòng)與便利的目標(biāo)；醫(yī)療系統(tǒng)則用它來(lái)解決義肢及非侵入式監(jiān)控的特殊需求。

這些系統(tǒng)可自行收集能源，維護(hù)需求也很低，由于日漸普及，人們自然好奇這些智慧系統(tǒng)何時(shí)能完全自給自足？也就是說(shuō)人類還需要多久時(shí)間，才能創(chuàng)造出可永恆運(yùn)作、完全不須維護(hù)的裝置？其實(shí)某些應(yīng)用早已開(kāi)始採(cǎi)用這種裝置。早在1970年代，德州儀器(TI)等公司推出設(shè)有小型太陽(yáng)能面板的手持式計(jì)算機(jī)，這些大小如信用卡的第一代系統(tǒng)，有些至今仍在使用，幫助民眾計(jì)算小費(fèi)與購(gòu)物總額，尤其在汰舊換新速度飛快的消費(fèi)性電子市場(chǎng)裡，使用30年聽(tīng)來(lái)已像永恆。

使用這類自我供電計(jì)算機(jī)時(shí)若要看到按鍵與螢?zāi)?，必須接近光源，顯示在許多情況下，環(huán)境能源與應(yīng)用產(chǎn)品存在共生關(guān)係，這也是能源採(cǎi)集的商機(jī)所在。計(jì)算機(jī)只須顯示數(shù)字結(jié)果，而其他系統(tǒng)可能得透過(guò)網(wǎng)路傳輸資料與資訊。新式能源採(cǎi)集應(yīng)用多半是各種能夠相互溝通的感測(cè)器與監(jiān)控裝置，附帶的電池可運(yùn)作多年、不須維護(hù)，幾乎已經(jīng)可以稱為長(zhǎng)久型裝置(Perpetual Device)。

在不久的未來(lái)，住家、辦公室、工廠、道路、醫(yī)院、甚至人體內(nèi)，都將出現(xiàn)更多能源採(cǎi)集裝置，這些電子裝置從環(huán)境中取得電源，維護(hù)需求極低，能與其他系統(tǒng)或網(wǎng)路云端溝通。對(duì)這類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)師而言，不僅要思考如何權(quán)衡效能、用電需求與成本，也得在公用系統(tǒng)和可用能源間達(dá)到平衡。甚至得發(fā)揮想像力：如果供電來(lái)源僅有灑落桌面的光線，或是因步行產(chǎn)生的地板震動(dòng)，智慧系統(tǒng)還能發(fā)展出哪些用途？

業(yè)界廠商在推動(dòng)能源採(cǎi)集系統(tǒng)背后的超低功耗技術(shù)時(shí)，也得深思這些議題。目前業(yè)界產(chǎn)品早已廣泛應(yīng)用于這類應(yīng)用，技術(shù)發(fā)展方向也根據(jù)此一快速發(fā)展領(lǐng)域的未來(lái)趨勢(shì)所擬定。由于未來(lái)業(yè)界將開(kāi)發(fā)出各種利用極微量能源的新應(yīng)用，超低功耗的定義也將改變，換言之，今日所謂的超低功耗，他日可能是耗能大戶。此外，降低功耗需求后，這類裝置的部署數(shù)量將大為增加，進(jìn)而建構(gòu)更密集的網(wǎng)路。由于產(chǎn)業(yè)與消費(fèi)者藉由此類裝置派送智慧資訊的狀況日趨普遍，業(yè)界廠商正在研發(fā)如何讓系統(tǒng)脫離傳統(tǒng)電源，并關(guān)注未來(lái)長(zhǎng)效裝置將如何發(fā)展。

[@B]能源採(cǎi)集應(yīng)用花開(kāi)遍地[@C] 能源採(cǎi)集應(yīng)用花開(kāi)遍地

未來(lái)能源採(cǎi)集系統(tǒng)不論是否為長(zhǎng)久型裝置，多半將做為網(wǎng)路的周邊裝置或遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用裝置若已具備電源線，或是需要電池維持機(jī)械運(yùn)作功能，應(yīng)不至于迅速改變；但新型應(yīng)用裝置散布智慧資訊與溝通的范圍將超過(guò)中央系統(tǒng)。部分使用電池或電線供電的現(xiàn)有應(yīng)用裝置類別，未來(lái)則可能改為能源採(cǎi)集，以節(jié)省成本與耗能。另一方面，能源採(cǎi)集應(yīng)用裝置大多扮演溝通角色，記錄遠(yuǎn)端資訊后回送中央系統(tǒng)，或發(fā)揮傳輸開(kāi)關(guān)功能。此種用途讓物聯(lián)網(wǎng)(IoT)不再限于傳統(tǒng)電源的電器，而能拓展至迄今仍鮮少具備溝通功能的領(lǐng)域。

早期應(yīng)用裝置橫跨工業(yè)與消費(fèi)性電子，而快速興起的醫(yī)療系統(tǒng)則提供許多值得注意的潛在商機(jī)。工業(yè)系統(tǒng)建置通常針對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)作，讓初期成本能長(zhǎng)期獲得回報(bào)。外型規(guī)格則以實(shí)用與功能齊全為主。對(duì)工業(yè)環(huán)境而言，極小型能源採(cǎi)集系統(tǒng)的重要性在于，可方便感測(cè)器等小型設(shè)備安裝于維護(hù)不易與昂貴的偏遠(yuǎn)區(qū)域。

橋梁與建筑物結(jié)構(gòu)感測(cè)技術(shù)近來(lái)廣受各界矚目，感測(cè)器可記錄壓力大小或材質(zhì)變化，再傳輸資料至中央系統(tǒng)，藉此判斷結(jié)構(gòu)體質(zhì)與安全程度。這些感測(cè)器運(yùn)用壓電收集器，從震動(dòng)壓力收集能源，在很短的時(shí)間內(nèi)可達(dá)數(shù)百微焦耳(Microjoule)。在部分感測(cè)器中，採(cǎi)集到的能源便用來(lái)驅(qū)動(dòng)超低功耗微控制器(MCU)與發(fā)送器。另一種應(yīng)用則是在有害工業(yè)環(huán)境內(nèi)放置感測(cè)器，因?yàn)檫@類環(huán)境不易取得系統(tǒng)資訊以進(jìn)行維護(hù)。若此類感測(cè)器能採(cǎi)集周遭能源，人員進(jìn)出風(fēng)險(xiǎn)即可減少，也不必為了照顧設(shè)備而中斷製程。

在消費(fèi)性電子方面，由于成本與外型規(guī)格相當(dāng)重要，可就工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)不存在的新型便利裝置開(kāi)拓商機(jī)，或針對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品開(kāi)創(chuàng)新用途。例如許多消費(fèi)性電子都附有遙控器，必須定期更換電池。此類系統(tǒng)很適合改用能源採(cǎi)集，不過(guò)基于成本考量，能源收集設(shè)計(jì)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力不得遜于現(xiàn)有電池產(chǎn)品。住家與辦公室如今也需要完全無(wú)線的電子裝置，例如太陽(yáng)能電腦鍵盤或電子墨水顯示器等。另一方面，由于住家及辦公室能源成本日增，恆溫器等室內(nèi)環(huán)境感測(cè)器必須提高效能，才可增加安裝地點(diǎn)，或遷移至更適合的場(chǎng)所。就連一般電燈開(kāi)關(guān)也可以使用長(zhǎng)效裝置--按鍵時(shí)所產(chǎn)生的能源，就足以傳送指令開(kāi)關(guān)燈具。這些系統(tǒng)都是能源採(cǎi)集的潛在用途，省下線路配置與更換電池的麻煩。

醫(yī)療系統(tǒng)為電子學(xué)新領(lǐng)域，而自我供電設(shè)備擁有顯著優(yōu)勢(shì)(表1)。目前正在研發(fā)能用人體熱能或動(dòng)作供電的心律調(diào)節(jié)器，不必定期更換電池或動(dòng)手術(shù)維護(hù)。微型能源採(cǎi)集若適用于心律調(diào)節(jié)器，亦可用于其他正在積極研發(fā)的體內(nèi)植入式裝置，藉以提升視力與聽(tīng)力，以及協(xié)助義肢移動(dòng)。穿戴式或植入式健康監(jiān)測(cè)器也可能做為人體網(wǎng)路進(jìn)行無(wú)線通訊，再個(gè)別或統(tǒng)一傳送訊息至外部系統(tǒng)，讓醫(yī)療人員能夠掌握資訊，未來(lái)這些人體資訊監(jiān)測(cè)器的照護(hù)功能也能繼續(xù)延伸，進(jìn)入患者居家照護(hù)或任何場(chǎng)所中。

這些例子說(shuō)明能源採(cǎi)集應(yīng)用裝置未來(lái)可能發(fā)展，不過(guò)還有其他較為迷你的商機(jī)。例如，想像咖啡杯附設(shè)溫度感測(cè)晶片，可以通知你的智慧型手機(jī)咖啡已涼或快要見(jiàn)底。手機(jī)接著把訊息傳遞給最近的咖啡壺，或提醒你該煮咖啡了。這樣的產(chǎn)品也可以只是個(gè)逗趣的小禮物，像是一打開(kāi)會(huì)發(fā)出音樂(lè)聲的卡片，但由此可見(jiàn)，電子科技也有好玩的用途。同樣地，步行時(shí)可藉由鞋跟採(cǎi)集能源，腳上所踏的地磚亦然，鞋子可以用來(lái)監(jiān)測(cè)足部壓力點(diǎn)，以找出最適合你的襪子或鞋墊、智慧地磚能監(jiān)控行人移動(dòng)速度，藉以控制交通號(hào)志與路燈。這些案例或許聽(tīng)來(lái)無(wú)聊，但背后概念卻相當(dāng)嚴(yán)肅--建立自我供電長(zhǎng)效裝置的迴路早已存在，價(jià)格愈來(lái)愈平實(shí)，應(yīng)用范圍也愈來(lái)愈廣泛。 [!--empirenews.page--]

ULP元件技術(shù)突破　能源採(cǎi)集趨勢(shì)快速普及

能源採(cǎi)集趨勢(shì)之所以興起，必須歸功于多項(xiàng)科技變遷。有了云端網(wǎng)路才能大范圍派送智慧資訊，讓所有非智慧裝置都能有效進(jìn)行運(yùn)算與溝通，至于系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)本身，能源採(cǎi)集器必須能夠收集與緩衝周遭能源，再以最具效率的方式加以運(yùn)用。

光線轉(zhuǎn)換面板，還有壓電與熱能轉(zhuǎn)能器的技術(shù)改良后，小規(guī)模能源採(cǎi)集系統(tǒng)的效能亦逐漸提高。例如室內(nèi)太陽(yáng)光電採(cǎi)集器的集光效能可望加倍，以200勒克斯(lux)為標(biāo)準(zhǔn)，每平方公分可從10微瓦(μW)增至20微瓦。電池技術(shù)提升后，亦可提高緩衝能力，電壓供應(yīng)也更穩(wěn)定；超級(jí)電容也提高能源儲(chǔ)存效能，方便傳輸時(shí)所需的大量能源爆發(fā)。不過(guò)進(jìn)展最顯著的領(lǐng)域仍為主動(dòng)電子元件，拜技術(shù)創(chuàng)新之賜，可運(yùn)用更低電力、更低成本發(fā)揮更多功能。

能源採(cǎi)集系統(tǒng)包括低功耗資料轉(zhuǎn)換器、數(shù)位訊號(hào)處理器、微控制器，且在16位元裝置中功耗最低(圖1)。此外，奈米電力升壓充電器等電源管理晶片提供理想的充電控制功能，適用于太陽(yáng)能、體感、熱能採(cǎi)集系統(tǒng)的電池與超級(jí)電容。奈米電力升壓充電器一大特色為最大功率點(diǎn)追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)，可優(yōu)化能源採(cǎi)集效果。

元件技術(shù)成熟　能源采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自我供電1' />

圖1　能源採(cǎi)集訊號(hào)鏈與電源管理各階段的超低功耗零組件

儘管大眾較常注意到大型太陽(yáng)能、風(fēng)力、潮汐裝置發(fā)展趨勢(shì)，但你我周遭採(cǎi)集環(huán)境能源的小型系統(tǒng)已出現(xiàn)穩(wěn)定成長(zhǎng)趨勢(shì)。這些裝置均幾乎可達(dá)到長(zhǎng)效運(yùn)作目標(biāo)，對(duì)居家、辦公、工廠、道路、醫(yī)院，甚至人體各種應(yīng)用都日益重要。收集與緩衝技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)這類應(yīng)用成長(zhǎng)，更重要的是超低功耗線路快速進(jìn)步所致。