能量采集漸近，自供電不再是夢？

通過能量采集技術(shù)擷取太陽能、振動能、熱能、射頻（RF）所產(chǎn)生的“免費”能源，如今不再是“天方夜譚”。雖然其現(xiàn)在還沒有得到大規(guī)模商用，但已經(jīng)取得了重大突破，這是“內(nèi)外合力”的共同結(jié)果。一方面，隨著工業(yè)、汽車、醫(yī)療、智能家庭中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及可穿戴式設(shè)備、移動產(chǎn)品等難以獲得供電的應(yīng)用快速發(fā)展，對能量采集帶來的無電源供應(yīng)技術(shù)的需求日趨強烈。另一方面，在能量采集系統(tǒng)中需要不同模塊的“共同作戰(zhàn)”，如可穩(wěn)定供貨的低成本、低功率傳感器和微控制器以及能量采集器、存儲元件等，業(yè)界在低功耗微處理器和傳感器領(lǐng)域中已經(jīng)取得了相當大的進步，作為系統(tǒng)中最大瓶頸的適合能量采集應(yīng)用的PMIC也陸續(xù)登場，一些廠商提供的產(chǎn)品均實現(xiàn)了新的突破，由此讓能量采集技術(shù)熱度大幅升高。據(jù)美國iRAP公司調(diào)查顯示，到2014年，能量采集市場規(guī)模將達到12.54億美元。

太陽能和熱能最具潛力

傳感器、MCU、RF等功耗降低，電源管理IC技術(shù)突破，使得能量采集技術(shù)難關(guān)攻克。

“從能量采集技術(shù)來看，最大的挑戰(zhàn)仍是將能量有效地收集起來。”德州儀器（TI）電源管理市場及應(yīng)用經(jīng)理文司華對記者介紹說，“從應(yīng)用來看，比如用在手持設(shè)備上的單節(jié)鋰電池，電壓一般都是3V或2.5V以上，輸入電流在1A以內(nèi)，很少做到50mA以下。但如通過能量采集芯片采集1000μW的能量，它能提供的電壓可能少于1V，電流也是以mA級或μA級計的。”

“能量采集之所以一直沒有被真正地廣泛應(yīng)用，最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其能量消耗端所消耗的能量之間一直處于不平衡的狀態(tài)，簡單點說就是其收集的能量不夠用。但隨著傳感器、MCU、RF等器件功耗的不斷降低，以及能量采集電源管理IC技術(shù)的突破，使得能量采集技術(shù)攻克了這一難關(guān)。”富士通半導(dǎo)體市場部高級經(jīng)理王韻介紹說。

從目前的能量源來看，最高是太陽能，達到10μW/平方厘米～10000μW/平方厘米；接下來是熱能，25μW/平方厘米～1000μW/平方厘米；之后是振動能，每平方厘米達50μW～250μW；RF的能量最低，為0.01μW/平方厘米～0.1μW/平方厘米。“目前能量采集技術(shù)主要集中在太陽能、熱能兩個方面，振動或RF是整個能量源的藍圖，未來有可能會支持采集振動、RF能量。因振動和RF能量屬于更低能量等級，如果用現(xiàn)有方案去做的話，能量密度可能不夠，輸出能量可能達不到所要求的最低工作電壓，比如330mV才能冷啟動，但之前只能做到80mV或120mV，那就無法讓芯片冷啟動，也就無法工作了。個別特殊應(yīng)用如劇烈振動或頻率非常高的情況下還是可采集相關(guān)能量，只要達到相關(guān)電流或電壓門檻值就可應(yīng)用。”文司華指出。

重在解決芯片自耗電

針對適合能量采集應(yīng)用的PMIC，所要考慮的首要因素包括拓撲結(jié)構(gòu)、效率、最大能量擷取等。

從采集能量芯片來看，自耗電電流成設(shè)計的最大挑戰(zhàn)。“這要求芯片的靜態(tài)電流必須非常小，因為通常的DC/DC在轉(zhuǎn)換時，1mA~10mA自功耗是常見的，在待機的情況是幾十個μA到100μA，在關(guān)機情況下能達到1μA~2μA也是相當不錯的，但對能量采集來說是遠遠不夠的。因為其進來的電流一共才2μA，自己的功耗就耗掉1μA，能效是50%.這個挑戰(zhàn)需要很多研究去做，包括拓撲結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計等。”文司華指出。

針對適合能量采集應(yīng)用的PMIC，所要考慮的首要因素包括拓撲結(jié)構(gòu)、效率、最大能量擷取等。適合能量采集應(yīng)用的PMIC拓撲包括線性降壓（LDO）穩(wěn)壓器、降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。德州儀器最新一代電源管理IC就在“折衷”方面實現(xiàn)了新突破，如集成降壓轉(zhuǎn)換器的最新bq25570升壓充電器不但靜態(tài)流耗極低，僅為488nA，而且可在輸出電流低于10μA的情況下實現(xiàn)超過90%的效率。該器件不僅支持最大功率點跟蹤（MPPT），可從光伏電池和熱電發(fā)生器提取和管理電源，而且還支持任何能源存儲元件。

對于能提供多大能量和提供多長時間的問題，文司華認為，關(guān)鍵還是要看能量源的存在形式，比如是單節(jié)太陽能電池板還是多節(jié)的太陽能電池板。如果是單節(jié)的就只能釋放0.6V~0.8V的能量，電流在幾十微安或者100微安量級，這樣的能量會存儲在超級電容上。然后要看占空比是多少，通信頻率越低，收集的能量會越多。從應(yīng)用設(shè)計角度來講，由于這幾個參數(shù)的變化性，目前還沒有一個標準答案。

存儲元件至關(guān)重要

直接給Zigbee、藍牙、MCU等產(chǎn)品供電，以及大多數(shù)可預(yù)見的應(yīng)用，都需要各種各樣的存儲元件。

在能量采集這一挑戰(zhàn)解決之后，還是不能直接給Zigbee、藍牙、MCU等產(chǎn)品供電，因為其最少也得需要幾十或上百微安級的電流，還需要存儲元件的“配合”。“存儲元件包含電池、薄膜電池或超級電容之類，存儲元件必須存在。業(yè)界追求能量采集系統(tǒng)的低占空比，就是指大部分時間需要收集能量以保存在存儲元件中，少部分時間是輸出能量，為所需器件供電。”文司華指出，“除非像有些微波傳輸、RF遙控器等，本身的功耗非常低，無存儲元件就可進行通信，或者那些依靠太陽能就可直接供電的應(yīng)用。對大多數(shù)可預(yù)見的應(yīng)用而言，還是需要各種各樣的存儲元件。”

對于會不會增大設(shè)計尺寸的問題，文司華指出，超級電容以法為單位，一法的超級電容比一個小的鋰電池等效電容還要小很多，本身這個電池占比空間并不是很大。

未來超級電容有更多的應(yīng)用。文司華說：“超級電容的優(yōu)點在于充電快，可以接受大電流充電，幾秒鐘就能充好電，放電速率也很快，不會像鋰電池一樣受放電速率影響。超級電容主要用在服務(wù)器上，平常處于完全滿充狀態(tài)，在關(guān)鍵時間點它可以瞬間充電啟動備用電源。薄膜電池是一種新興的技術(shù)，很輕，容量密度不錯，但整體容量小，應(yīng)用還不多。”