有關微型能源采集技術的關鍵應用問題及解決方案

假如要為手持終端、便攜式設備以及距離插座數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展。但是，從環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，但它已顯現出眾多優勢，比如：傳感器可無需更換電池或維護持續數年運行、低能耗、綠色環保，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電廠進行的大規模能源采集雖然所占份額較小，但一直處于增長態勢。2007年，全球光伏市場規模約為12億美元，逆變器出貨數量不足50萬臺。現在，從振動、溫差、光及其他環境能源獲取毫瓦級電能的微型采集器也正在走向商業應用。幾毫瓦雖然微不足道，但非常適用于德州儀器(TI)等IC公司所開發的超低功耗技術產品。圖1給出了大規模能源采集與微型能源采集之間的差異。

圖 1：大規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最佳能源效率的規則，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模有多大，而且還有很多應用沒有被發現。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。

根據市場調研公司Darnell Group的統計數據，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、醫療、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。

要求遠程節點自動運行數年的無線傳感器網絡成為首要的目標應用。根據其位置的不同，這些傳感器節點可從光、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寬頻無線電廣播產品采用振動能為無線電系統供電。

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。可統計從簡單的脈搏頻率到ECG波等關鍵數據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的一部分。典型的能源采集系統包括眾多組件，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，以實現最佳總體性能。只要設計人員確信采集技術將支持這種產品，就能開發出相關應用。

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給出了四種環境下微型能源采集可提供的每單元能量的大約數據。

圖2：四種環境下的 能源采集估算。

下一步將*估可行系統 (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生大約1mW的電能。一般能源效率約為10%，容量比(平均產生的電能對太陽持續照射時將產生電能的比率)約為15%~20%。

市場上出售的動能收集系統可產生毫瓦級的電能。能量很有可能通過一個振蕩體(振動)而產生，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與汽車結構可產生振動能。基本動能收集技術包括：(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生電壓。熱電發電機(TEG)由熱并聯與電串聯的熱電堆構成。最新型TEG在匹配負載下可產生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。所產生的電能取決于TEG的大小、環境溫度以及(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在正常活動中可產生平均0.2~0.3mW的有用電能。一般情況下，一個TEG可持續為一個電池或超級電容器充電，但需要高級電源管理來優化性能。

上述三種主流微能量采集來源都有幾個共同之處。他們都通常產生不穩定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的3.3V穩定電壓。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微型采集器能源技術所產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生影響。

在大多數情況下(并非所有情況下)，不可使用我們熟悉的線性穩壓器拓撲結構，因為線性穩壓器只能使電壓降低，而是更適合采用開關穩壓器。通過切斷輸入信號，開關穩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，開關穩壓器會使信號頻譜發生改變，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，能量采集技術實現的設計環境與以往有很大不同。在傳統的電源管理應用中，最節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，從而更難提高系統效率。

在輸入電壓不穩定且較低的情況下，實現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，對于僅能產生幾毫瓦功率的系統來說，管理電源所消耗的電能可能等于甚至大于系統所產生的電能。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。