有關(guān)微型能源采集技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用問題及解決方案

假如要為手持終端、便攜式設(shè)備以及距離插座數(shù)英里之遙的固定設(shè)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(yīng)用技術(shù)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(shù)，正日益成為各種應(yīng)用領(lǐng)域中有力的競(jìng)爭(zhēng)方案。在過去幾年里，能源采集技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，來到設(shè)計(jì)工程師的工作臺(tái)。在短期內(nèi)，雖然能源采集技術(shù)還不會(huì)完全替代所有應(yīng)用領(lǐng)域的電池，但它已顯現(xiàn)出眾多優(yōu)勢(shì)，比如：傳感器可無需更換電池或維護(hù)持續(xù)數(shù)年運(yùn)行、低能耗、綠色環(huán)保，以及能為最終用戶帶來長(zhǎng)期的低成本效益。

幾十年來，在世界能源構(gòu)成中，憑借風(fēng)能與太陽能發(fā)電廠進(jìn)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(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2007年，全球光伏市場(chǎng)規(guī)模約為12億美元，逆變器出貨數(shù)量不足50萬臺(tái)。現(xiàn)在，從振動(dòng)、溫差、光及其他環(huán)境能源獲取毫瓦級(jí)電能的微型采集器也正在走向商業(yè)應(yīng)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(shù)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(shù)的比較。

能源采集以多種方式開辟了工程領(lǐng)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(shè)計(jì)的策略方面。雖然我們尚不能認(rèn)為能源采集技術(shù)改寫了電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最佳能源效率的規(guī)則，但對(duì)眾多工程師而言，很多最佳的實(shí)踐操作都與直覺相反。

應(yīng)用基本因素：市場(chǎng)

廣義上講，采集的能源包括各種能源，比如動(dòng)能(風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等)、電磁能(光伏、電磁波等)、熱能(太陽熱能、地?zé)?、溫度變化、燃燒?、原子能(原子核能、放射性衰變等)或生物能(生物燃料、生物質(zhì)能等)。

由于能源采集技術(shù)廣泛而多樣化，因而很少會(huì)有人試圖估計(jì)整個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模有多大，而且還有很多應(yīng)用沒有被發(fā)現(xiàn)。目前，人們對(duì)微型能源采集技術(shù)市場(chǎng)的考察一般傾向于該技術(shù)明確可替代電池的細(xì)分市場(chǎng)。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司Darnell Group的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2012年將有2億個(gè)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(lǐng)域的能源采集應(yīng)用市場(chǎng)將從2008年的1,350萬套增長(zhǎng)到2013年的1.641億套。

要求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)年的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為首要的目標(biāo)應(yīng)用。根據(jù)其位置的不同，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可從光、振動(dòng)或其他來源采集能量。比如，鐘表、計(jì)算器以及藍(lán)牙耳機(jī)等都是光伏電池應(yīng)用的潛在領(lǐng)域。此外，精工公司的Kinetic牌手表采用了將運(yùn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù);Freeplay公司的EyeMax寬頻無線電廣播產(chǎn)品采用振動(dòng)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(shù)之一，精工公司的Thermic牌手表就是采用這種方案?？山y(tǒng)計(jì)從簡(jiǎn)單的脈搏頻率到ECG波等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的新一代生物計(jì)量傳感器，甚至有可能以體熱作為能源。

轉(zhuǎn)換技術(shù)只是整個(gè)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(fù)雜的能源管理電路、模擬轉(zhuǎn)換器以及超低功耗微處理器(MCU)。一個(gè)非常重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將電源電路與應(yīng)用電路相匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳總體性能。只要設(shè)計(jì)人員確信采集技術(shù)將支持這種產(chǎn)品，就能開發(fā)出相關(guān)應(yīng)用。

應(yīng)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(shù)。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(duì)太陽持續(xù)照射時(shí)將產(chǎn)生電能的比率)約為15%~20%。

市場(chǎng)上出售的動(dòng)能收集系統(tǒng)可產(chǎn)生毫瓦級(jí)的電能。能量很有可能通過一個(gè)振蕩體(振動(dòng))而產(chǎn)生，但由壓電電池或彈性體收集的靜電能也屬于動(dòng)能范圍。橋梁等建筑物以及眾多工業(yè)與汽車結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生振動(dòng)能?；緞?dòng)能收集技術(shù)包括：(1)一個(gè)彈簧上的物體;(2)將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備;(3)壓電電池。第(1)與第(2)項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，電壓不取決于電源本身，而取決于轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。靜電轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生高達(dá) 1,000V或更高的電壓。

熱電收集技術(shù)利用了賽貝克(Seebeck)效應(yīng)，即在兩個(gè)金屬或半導(dǎo)體之間存在溫差的情況下而產(chǎn)生電壓。熱電發(fā)電機(jī)(TEG)由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構(gòu)成。最新型TEG在匹配負(fù)載下可產(chǎn)生0.7V輸出電壓，工程師在設(shè)計(jì)超低功耗應(yīng)用時(shí)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(dāng)從人體收集熱能時(shí)的)新陳代謝活動(dòng)水平。

根據(jù)比利時(shí)研究機(jī)構(gòu)IMEC公司的研究，在22℃時(shí)，手表型TEG在正?；顒?dòng)中可產(chǎn)生平均0.2~0.3mW的有用電能。一般情況下，一個(gè)TEG可持續(xù)為一個(gè)電池或超級(jí)電容器充電，但需要高級(jí)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(gè)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(shù)提供的都是間斷電源，甚至有時(shí)根本就不能提供電源。因此，設(shè)計(jì)工程師需要使用電源轉(zhuǎn)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(shù)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(dòng)電源轉(zhuǎn)換器的電路。此外，二次損耗會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)榫€性穩(wěn)壓器只能使電壓降低，而是更適合采用開關(guān)穩(wěn)壓器。通過切斷輸入信號(hào)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以控制其幅度和頻率。此外，開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只消耗很少的電能。但從另一方面講，開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)使信號(hào)頻譜發(fā)生改變，并導(dǎo)致頻率干擾。由于需要濾波器對(duì)輸出進(jìn)行控制，采用這種方案會(huì)導(dǎo)致成本的上升。

對(duì)工程設(shè)計(jì)人員來說，能量采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)環(huán)境與以往有很大不同。在傳統(tǒng)的電源管理應(yīng)用中，最節(jié)能的方法是采用高輸入電壓來啟動(dòng)，以便在小電流和低電能消耗的條件下完成轉(zhuǎn)換。

然而，能量采集應(yīng)用中輸入電壓一般比較低，因此設(shè)計(jì)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(biāo)輸出電源能確定，則要求電源管理電路在較大電流下運(yùn)行。大電流導(dǎo)致電源轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)低成本和低能耗濾波的基本方法有幾種。當(dāng)然，選擇哪種方法需要權(quán)衡利弊。比如，采用較大的開關(guān)可以減少電阻損耗，但更大的開關(guān)會(huì)要求更大的啟動(dòng)電流，該開關(guān)可能無法提供。此外，通過降低開關(guān)頻率可以提高效率，但這要求采用較大的濾波器。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)記住的最重要一點(diǎn)是，對(duì)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(jiǎn)單的任務(wù)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(jié)果是，電路將變得更加復(fù)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(gè)以上的電源轉(zhuǎn)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(duì)向另一個(gè)效率更高的電源轉(zhuǎn)換器的定期發(fā)送高功率脈沖的電容，進(jìn)行充電的良好解決方案。這個(gè)效率更高的轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)處理應(yīng)用電路所需的信號(hào)調(diào)節(jié)。

圖 3：同步整流器電路。

在一些應(yīng)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(gè)晶體管從小到大進(jìn)行排列(如圖4所示)。

圖4：晶體管寬度轉(zhuǎn)換帶來的效率優(yōu)勢(shì)。

伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)的電路也可以自動(dòng)檢測(cè)功耗，并同時(shí)可采用適當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)以待機(jī)功率水平運(yùn)行時(shí)，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(jìn)行優(yōu)化的方案更具有優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)施上述方案時(shí)應(yīng)記住，設(shè)計(jì)最高效的轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生最多能量的傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換方式并不總是適用于微型能量采集。應(yīng)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量輸出進(jìn)行優(yōu)化作為追求的目標(biāo)。有時(shí)，這意味著設(shè)計(jì)方案并不以系統(tǒng)各部分均達(dá)到最高效率為目標(biāo)。

對(duì)IC的判定選擇

設(shè)計(jì)人員必須清楚其選擇 IC 技術(shù)的含義。至少在潛意識(shí)中，每個(gè)人都意識(shí)到高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)能生產(chǎn)出更高效率的半導(dǎo)體器件。在常規(guī)電路設(shè)計(jì)中，常常會(huì)忽視這種差別，因?yàn)閬單⒚灼骷某杀緝?yōu)勢(shì)被認(rèn)為超過其效率所帶來的優(yōu)勢(shì)。微型能量采集應(yīng)用改變了這個(gè)規(guī)則。

比如，對(duì)于早期能量采集應(yīng)用，伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)的小型電源轉(zhuǎn)換器通過采用1.5μm工藝和8μm電感器構(gòu)建的IC可實(shí)現(xiàn)53%的效率。在考慮如何改進(jìn)轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)于采用不同工藝技術(shù)和電感器尺寸的各種組合可能達(dá)到的不同效率，設(shè)計(jì)小組進(jìn)行了計(jì)算。

圖5顯示了計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算，最先進(jìn)的技術(shù)組合(采用銅互連技術(shù)的0.25μm工藝技術(shù)與25μm感應(yīng)器)可實(shí)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(jí) IC工藝技術(shù)可顯著提升效率。

應(yīng)用的其他部分也需要采用高級(jí)工藝技術(shù)的IC，包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平臺(tái)就是一個(gè)很好的例子，該MCU在工作狀態(tài)的功耗僅為160uA/MHz，在待機(jī)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(shè)計(jì)中，將TI超低功耗MCU與高度靈活的射頻 (RF)收發(fā)器結(jié)合在一起，以實(shí)施無需線纜或電池即能檢測(cè)并報(bào)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(shù)與完美結(jié)合的TI MSP430微處理器、RF以及eZ430-RF2500開發(fā)套件，可實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)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(shù)的系統(tǒng)方框圖。

實(shí)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(shí)也提出了許多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)將帶來諸多益處，包括可進(jìn)一步開發(fā)“永續(xù)”電子設(shè)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(zhǔn)備就緒，可隨時(shí)啟動(dòng)開發(fā)工作。

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