能量采集漸近自供電不再是夢(mèng)？

通過(guò)能量采集技術(shù)擷取太陽(yáng)能、振動(dòng)能、熱能、射頻（RF）所產(chǎn)生的“免費(fèi)”能源，如今不再是“天方夜譚”。雖然其現(xiàn)在還沒(méi)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及可穿戴式設(shè)備、移動(dòng)產(chǎn)品等難以獲得供電的應(yīng)用快速發(fā)展，對(duì)能量采集帶來(lái)的無(wú)電源供應(yīng)技術(shù)的需求日趨強(qiáng)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(chǔ)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(dāng)大的進(jìn)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(chǎng)，一些廠商提供的產(chǎn)品均實(shí)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(guó)iRAP公司調(diào)查顯示，到2014年，能量采集市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到12.54億美元。

太陽(yáng)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(lái)看，最大的挑戰(zhàn)仍是將能量有效地收集起來(lái)。”德州儀器（TI）電源管理市場(chǎng)及應(yīng)用經(jīng)理文司華對(duì)記者介紹說(shuō)，“從應(yīng)用來(lái)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(guò)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(jí)或μA級(jí)計(jì)的。”

“能量采集之所以一直沒(méi)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(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)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(chǎng)部高級(jí)經(jīng)理王韻介紹說(shuō)。

從目前的能量源來(lái)看，最高是太陽(yáng)能，達(dá)到10μW/平方厘米～10000μW/平方厘米;接下來(lái)是熱能，25μW/平方厘米～1000μW/平方厘米;之后是振動(dòng)能，每平方厘米達(dá)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(yáng)能、熱能兩個(gè)方面，振動(dòng)或RF是整個(gè)能量源的藍(lán)圖，未來(lái)有可能會(huì)支持采集振動(dòng)、RF能量。因振動(dòng)和RF能量屬于更低能量等級(jí)，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(dá)不到所要求的最低工作電壓，比如330mV才能冷啟動(dòng)，但之前只能做到80mV或120mV，那就無(wú)法讓芯片冷啟動(dòng)，也就無(wú)法工作了。個(gè)別特殊應(yīng)用如劇烈振動(dòng)或頻率非常高的情況下還是可采集相關(guān)能量，只要達(dá)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(duì)適合能量采集應(yīng)用的PMIC，所要考慮的首要因素包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、效率、最大能量擷取等。

從采集能量芯片來(lái)看，自耗電電流成設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)。“這要求芯片的靜態(tài)電流必須非常小，因?yàn)橥ǔ５腄C/DC在轉(zhuǎn)換時(shí)，1mA~10mA自功耗是常見的，在待機(jī)的情況是幾十個(gè)μA到100μA，在關(guān)機(jī)情況下能達(dá)到1μA~2μA也是相當(dāng)不錯(cuò)的，但對(duì)能量采集來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)槠溥M(jìn)來(lái)的電流一共才2μA，自己的功耗就耗掉1μA，能效是50%。這個(gè)挑戰(zhàn)需要很多研究去做，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)等。”文司華指出。

針對(duì)適合能量采集應(yīng)用的PMIC，所要考慮的首要因素包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、效率、最大能量擷取等。適合能量采集應(yīng)用的PMIC拓?fù)浒ň€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(shí)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(shí)現(xiàn)超過(guò)90%的效率。該器件不僅支持最大功率點(diǎn)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(chǔ)元件。

對(duì)于能提供多大能量和提供多長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題，文司華認(rèn)為，關(guān)鍵還是要看能量源的存在形式，比如是單節(jié)太陽(yáng)能電池板還是多節(jié)的太陽(yáng)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(jí)，這樣的能量會(huì)存儲(chǔ)在超級(jí)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(huì)越多。從應(yīng)用設(shè)計(jì)角度來(lái)講，由于這幾個(gè)參數(shù)的變化性，目前還沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案。

存儲(chǔ)元件至關(guān)重要

直接給Zigbee、藍(lán)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(chǔ)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(lán)牙、MCU等產(chǎn)品供電，因?yàn)槠渥钌僖驳眯枰獛资蛏习傥布?jí)的電流，還需要存儲(chǔ)元件的“配合”。“存儲(chǔ)元件包含電池、薄膜電池或超級(jí)電容之類，存儲(chǔ)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(shí)間需要收集能量以保存在存儲(chǔ)元件中，少部分時(shí)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(wú)存儲(chǔ)元件就可進(jìn)行通信，或者那些依靠太陽(yáng)能就可直接供電的應(yīng)用。對(duì)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(chǔ)元件。”

對(duì)于會(huì)不會(huì)增大設(shè)計(jì)尺寸的問(wèn)題，文司華指出，超級(jí)電容以法為單位，一法的超級(jí)電容比一個(gè)小的鋰電池等效電容還要小很多，本身這個(gè)電池占比空間并不是很大。

未來(lái)超級(jí)電容有更多的應(yīng)用。文司華說(shuō)：“超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)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(huì)像鋰電池一樣受放電速率影響。超級(jí)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(shí)間點(diǎn)它可以瞬間充電啟動(dòng)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(cuò)，但整體容量小，應(yīng)用還不多。”