超低功耗元件技術(shù)成熟　能源采集系統(tǒng)實現(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集新應用成真。自給自足式(Self-sustaining)裝置可以透過採集小額環(huán)境能源，且不太須要維護功夫，即可永久(Perpectual)或近乎永久地運作。這些新系統(tǒng)逐漸應用在工業(yè)與消費性電子產(chǎn)品中，也可望大幅改變醫(yī)藥與保健科技。

不久之前，採集微量能源或周遭微小能源以發(fā)動電子系統(tǒng)，聽來仍是遙不可及的概念，僅限于研究提案或?qū)嶒烆}材。今日已有愈來愈多系統(tǒng)開始善用在過往遭到浪費的環(huán)境能源，如光線、震動等，供應電源線路或電池維護不易的設備。能源採集技術(shù)正迅速拓展至各種新應用，例如工業(yè)領域常運用感測器，從遠距設備與有害製程中收集資訊；消費性電子藉此達到行動與便利的目標；醫(yī)療系統(tǒng)則用它來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)何時能完全自給自足？也就是說人類還需要多久時間，才能創(chuàng)造出可永恆運作、完全不須維護的裝置？其實某些應用早已開始採用這種裝置。早在1970年代，德州儀器(TI)等公司推出設有小型太陽能面板的手持式計算機，這些大小如信用卡的第一代系統(tǒng)，有些至今仍在使用，幫助民眾計算小費與購物總額，尤其在汰舊換新速度飛快的消費性電子市場裡，使用30年聽來已像永恆。

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

在不久的未來，住家、辦公室、工廠、道路、醫(yī)院、甚至人體內(nèi)，都將出現(xiàn)更多能源採集裝置，這些電子裝置從環(huán)境中取得電源，維護需求極低，能與其他系統(tǒng)或網(wǎng)路云端溝通。對這類系統(tǒng)的設計師而言，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)和可用能源間達到平衡。甚至得發(fā)揮想像力：如果供電來源僅有灑落桌面的光線，或是因步行產(chǎn)生的地板震動，智慧系統(tǒng)還能發(fā)展出哪些用途？

業(yè)界廠商在推動能源採集系統(tǒng)背后的超低功耗技術(shù)時，也得深思這些議題。目前業(yè)界產(chǎn)品早已廣泛應用于這類應用，技術(shù)發(fā)展方向也根據(jù)此一快速發(fā)展領域的未來趨勢所擬定。由于未來業(yè)界將開發(fā)出各種利用極微量能源的新應用，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，進而建構(gòu)更密集的網(wǎng)路。由于產(chǎn)業(yè)與消費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)注未來長效裝置將如何發(fā)展。

[@B]能源採集應用花開遍地[@C] 能源採集應用花開遍地

未來能源採集系統(tǒng)不論是否為長久型裝置，多半將做為網(wǎng)路的周邊裝置或遠端節(jié)點。應用裝置若已具備電源線，或是需要電池維持機械運作功能，應不至于迅速改變；但新型應用裝置散布智慧資訊與溝通的范圍將超過中央系統(tǒng)。部分使用電池或電線供電的現(xiàn)有應用裝置類別，未來則可能改為能源採集，以節(jié)省成本與耗能。另一方面，能源採集應用裝置大多扮演溝通角色，記錄遠端資訊后回送中央系統(tǒng)，或發(fā)揮傳輸開關(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域。

早期應用裝置橫跨工業(yè)與消費性電子，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。工業(yè)系統(tǒng)建置通常針對長期運作，讓初期成本能長期獲得回報。外型規(guī)格則以實用與功能齊全為主。對工業(yè)環(huán)境而言，極小型能源採集系統(tǒng)的重要性在于，可方便感測器等小型設備安裝于維護不易與昂貴的偏遠區(qū)域。

橋梁與建筑物結(jié)構(gòu)感測技術(shù)近來廣受各界矚目，感測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。這些感測器運用壓電收集器，從震動壓力收集能源，在很短的時間內(nèi)可達數(shù)百微焦耳(Microjoule)。在部分感測器中，採集到的能源便用來驅(qū)動超低功耗微控制器(MCU)與發(fā)送器。另一種應用則是在有害工業(yè)環(huán)境內(nèi)放置感測器，因為這類環(huán)境不易取得系統(tǒng)資訊以進行維護。若此類感測器能採集周遭能源，人員進出風險即可減少，也不必為了照顧設備而中斷製程。

在消費性電子方面，由于成本與外型規(guī)格相當重要，可就工業(yè)領域內(nèi)不存在的新型便利裝置開拓商機，或針對現(xiàn)有產(chǎn)品開創(chuàng)新用途。例如許多消費性電子都附有遙控器，必須定期更換電池。此類系統(tǒng)很適合改用能源採集，不過基于成本考量，能源收集設計的價格競爭力不得遜于現(xiàn)有電池產(chǎn)品。住家與辦公室如今也需要完全無線的電子裝置，例如太陽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)境感測器必須提高效能，才可增加安裝地點，或遷移至更適合的場所。就連一般電燈開關(guān)也可以使用長效裝置--按鍵時所產(chǎn)生的能源，就足以傳送指令開關(guān)燈具。這些系統(tǒng)都是能源採集的潛在用途，省下線路配置與更換電池的麻煩。

醫(yī)療系統(tǒng)為電子學新領域，而自我供電設備擁有顯著優(yōu)勢(表1)。目前正在研發(fā)能用人體熱能或動作供電的心律調(diào)節(jié)器，不必定期更換電池或動手術(shù)維護。微型能源採集若適用于心律調(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，藉以提升視力與聽力，以及協(xié)助義肢移動。穿戴式或植入式健康監(jiān)測器也可能做為人體網(wǎng)路進行無線通訊，再個別或統(tǒng)一傳送訊息至外部系統(tǒng)，讓醫(yī)療人員能夠掌握資訊，未來這些人體資訊監(jiān)測器的照護功能也能繼續(xù)延伸，進入患者居家照護或任何場所中。

這些例子說明能源採集應用裝置未來可能發(fā)展，不過還有其他較為迷你的商機。例如，想像咖啡杯附設溫度感測晶片，可以通知你的智慧型手機咖啡已涼或快要見底。手機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)品也可以只是個逗趣的小禮物，像是一打開會發(fā)出音樂聲的卡片，但由此可見，電子科技也有好玩的用途。同樣地，步行時可藉由鞋跟採集能源，腳上所踏的地磚亦然，鞋子可以用來監(jiān)測足部壓力點，以找出最適合你的襪子或鞋墊、智慧地磚能監(jiān)控行人移動速度，藉以控制交通號志與路燈。這些案例或許聽來無聊，但背后概念卻相當嚴肅--建立自我供電長效裝置的迴路早已存在，價格愈來愈平實，應用范圍也愈來愈廣泛。 [!--empirenews.page--]

ULP元件技術(shù)突破　能源採集趨勢快速普及

能源採集趨勢之所以興起，必須歸功于多項科技變遷。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行運算與溝通，至于系統(tǒng)內(nèi)部技術(shù)本身，能源採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)模能源採集系統(tǒng)的效能亦逐漸提高。例如室內(nèi)太陽光電採集器的集光效能可望加倍，以200勒克斯(lux)為標準，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，電壓供應也更穩(wěn)定；超級電容也提高能源儲存效能，方便傳輸時所需的大量能源爆發(fā)。不過進展最顯著的領域仍為主動電子元件，拜技術(shù)創(chuàng)新之賜，可運用更低電力、更低成本發(fā)揮更多功能。

能源採集系統(tǒng)包括低功耗資料轉(zhuǎn)換器、數(shù)位訊號處理器、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，適用于太陽能、體感、熱能採集系統(tǒng)的電池與超級電容。奈米電力升壓充電器一大特色為最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)，可優(yōu)化能源採集效果。

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圖1　能源採集訊號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能、風力、潮汐裝置發(fā)展趨勢，但你我周遭採集環(huán)境能源的小型系統(tǒng)已出現(xiàn)穩(wěn)定成長趨勢。這些裝置均幾乎可達到長效運作目標，對居家、辦公、工廠、道路、醫(yī)院，甚至人體各種應用都日益重要。收集與緩衝技術(shù)的發(fā)展推動這類應用成長，更重要的是超低功耗線路快速進步所致。