充分利用幾毫瓦電能在要求實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)計方法革命性創(chuàng)新的同時,，也將我們帶入了“永續(xù)”電子設(shè)備的新時代

作者：Patrick Chapman,，伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校 (University of Illinois at Urbana-Champaign),；Murugavel Raju,，德州儀器 (TI)

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)正日益成為各種應用領(lǐng)域中有力的競爭方案。在過去幾年里,，能源采集技術(shù)已走出實驗室,，來到設(shè)計工程師的工作臺。在短期內(nèi),，雖然能源采集技術(shù)還不會完全替代所有應用領(lǐng)域的電池,，但其已顯現(xiàn)出眾多優(yōu)勢，如傳感器可無需更換電池或維護持續(xù)數(shù)年運行,；低能耗,、綠色環(huán)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(gòu)成中，憑借風能與太陽能發(fā)電場進行的大規(guī)模能源采集雖然所占份額較小,，但一直處于增長態(tài)勢,。2007 年，全球光伏市場規(guī)模約為12億美元,，逆變器出貨數(shù)量不足 50 萬臺?，F(xiàn)在，從振動,、溫差,、光及其它環(huán)境能源獲取毫瓦級電能的微型采集器也正在走向商業(yè)應用。幾毫瓦雖然微不足道,，但非常適用于德州儀器 (TI) 等IC企業(yè)所開發(fā)的超低功耗技術(shù)產(chǎn)品,。圖 1 顯著了大規(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)計的策略方面,。雖然我們尚不能認為能源采集技術(shù)改寫了電路設(shè)計中實現(xiàn)最佳能源效率的規(guī)則,，但對于眾多工程師而言，很多最佳的實踐操作都與直覺相反,。

基本因素：市場

從廣義上講,，采集能源包括各種來源，比如動能（風,、波,、重力、振動等）,、電磁能（光伏,、電磁波 (antenna/rectanna) 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(zhì)能等）。

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

根據(jù)市場調(diào)研公司 Darnell Group 的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，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(yè),、醫(yī)療,、軍事以及航天等領(lǐng)域的能源采集應用市場將從 2008 年的 1350 萬套增長到 2013 年的 1.641 億套。

要求遠程節(jié)點自動運行數(shù)年的無線傳感器網(wǎng)絡成為首要的目標應用,。根據(jù)其位置的不同,，這些傳感器節(jié)點可從光、振動或其它來源采集能量,。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(lǐng)域,。此外,，精工公司的 Kinetic 牌手表采用了將運動能轉(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)計從簡單的脈搏頻率到 ECG 波等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的新一代生物計量傳感器甚至有可能以體熱作為能源,。

轉(zhuǎn)換技術(shù)只是整個系統(tǒng)的一部分。典型的能源采集系統(tǒng)包括眾多組件,，如轉(zhuǎn)換,、薄膜電池中的暫存器、大量復雜的能源管理電路、模擬轉(zhuǎn)換器以及超低功耗微處理器 (MCU),。至關(guān)重要的設(shè)計目標是將電源電路與應用電路相匹配,，以實現(xiàn)最佳總體性能。只要設(shè)計人員確信采集技術(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 中給出了四種環(huán)境微型收集來源可提供的每單元能量的大約數(shù)據(jù),。

圖 2. 能源采集估算

下一步將評估可行系統(tǒng) (viable system) 所能收集的能量。

• 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 1 mW 的電能。一般能源效率約為 10%,，容量比（平均所產(chǎn)生的電能對太陽持續(xù)照射時將產(chǎn)生電能的比率）約為 15% ～ 20%,。
• 市場上出售的動能收集系統(tǒng)可產(chǎn)生毫瓦級的電能。能量很有可能通過一個振蕩體（振動）而產(chǎn)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(yè)與汽車結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生振動能?；緞幽苁占夹g(shù)包括：(1) 一個彈簧上的物體,；(2) 將線性運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的設(shè)備；(3) 壓電電池,。第 (1) 與第 (2) 項技術(shù)的優(yōu)勢是,，電壓不取決于電源本身，而取決于轉(zhuǎn)換設(shè)計,。靜電轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生高達 1,000 V 或更高的電壓,。
• 熱電收集技術(shù)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(chǎn)生電壓,。熱電發(fā)電機 (TEG) 由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構(gòu)成,。最新型 TEG 在匹配負載下可產(chǎn)生 0.7V 輸出電壓，工程師在設(shè)計超低功耗應用時通常采用該電壓,。所產(chǎn)生的電能取決于 TEG 的大小,、環(huán)境溫度以及（當從人體收集熱能時的）新陳代謝活動水平。
• 根據(jù)比利時研究機構(gòu) IMEC 公司的研究,，在 22?C 時,，手表型 TEG 在正常活動中可產(chǎn)生平均 0.2 ～ 0.3 mW 的有用電能,。一般情況下,，一個 TEG 可持續(xù)為一個電池或超級電容器充電，但需要高級電源管理來優(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)所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(shè)計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

這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電源轉(zhuǎn)換器的電路。此外,，二次損耗會對轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生影響,。

在大多數(shù)情況下（但非所有情況下），不可采用我們熟悉的線性穩(wěn)壓器拓撲結(jié)構(gòu),，因為線性穩(wěn)壓器只能使電壓降低,，因而更適合使用開關(guān)穩(wěn)壓器。通過切斷輸入信號,，開關(guān)穩(wěn)壓器可以控制其幅度和頻率,。同時，開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)也會消耗很少的電能,。但從另一方面講,，開關(guān)穩(wěn)壓器會使信號頻譜發(fā)生改變，并導致頻率干擾,。由于需要濾波對輸出進行控制,，采用這種方案會導致成本的上升。

對于工程設(shè)計人員來說,，能量采集技術(shù)實現(xiàn)的設(shè)計環(huán)境與以往有很大不同,。在傳統(tǒng)的電源管理應用中，最節(jié)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(zhuǎn)換,。

然而，能量采集應用中輸入電壓一般比較低,，因此設(shè)計工程師所面臨的環(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(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,，實現(xiàn)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(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)會要求更大的開啟電源,，不過該開關(guān)可能無法提供,。再比如，通過降低開關(guān)頻率可以提高效率,，但這要求使用較大的濾波器。

設(shè)計人員應記住的最重要的一點是,，對于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統(tǒng)來說,，管理電源所消耗的開銷可能等于甚至大于系統(tǒng)所產(chǎn)生的。通常,，像給MOSFET 柵極電容充電這樣簡單的任務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,，而不是電壓源柵極沖電,。這種方案的結(jié)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,。

另外，也可以考慮使用一個以上的電源轉(zhuǎn)換器,。圖 3 中所示的同步整流器電路雖不能提供穩(wěn)定的電源,，但它是對向另一個效率更高的電源轉(zhuǎn)換器定期發(fā)送高功率猝發(fā)的電容進行充電的良好解決方案。另一個轉(zhuǎn)換器負責處理應用電路所需的信號調(diào)節(jié),。

圖 3. 同步整流器電路

在一些應用中,，另一種柵極電荷操作（即使用電壓源柵極電荷電路）可極大提高效率。這種方法可將電路中的幾個晶體管從小到大進行排列（如圖 4 所示）,。

伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設(shè)計的電路也可以自動檢測功耗,，同時可采用適當尺寸和數(shù)量的晶體管來保持高效率。較高值的晶體管可用于高功率情況下使用,。當系統(tǒng)以待機功率水平運行時,，可采用較小的晶體管。圖 4 中插入的圖表顯示了這種方案相對于不按晶體管尺寸優(yōu)化方案的優(yōu)勢,。

圖 4. 晶體管寬度轉(zhuǎn)換

在實施上述方案時應記住,，設(shè)計最高效的轉(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。應將對整個系統(tǒng)的能量輸出進行優(yōu)化作為追求的目標。有時,，這意味著設(shè)計方案并不以系統(tǒng)各部分均達到最高效率為目標,。

對 IC 的判定選擇

設(shè)計人員必須清楚其選擇 IC 技術(shù)的含義。至少在潛意識中,，每個人都意識到高級技術(shù)節(jié)點能生產(chǎn)出更高效率的半導體器件,。在常規(guī)電路設(shè)計中，常常會忽視這種差別,，因為亞微米器件的成本優(yōu)勢被認為超過其效率所帶來的優(yōu)勢,。再次重申，微型能量采集應用改變了規(guī)則,。

比如,，對于早期能量采集應用而言，伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設(shè)計的小型電源轉(zhuǎn)換器通過采用 1.5 μm 工藝和 8 μm 電感器構(gòu)建的 IC 可實現(xiàn) 53% 的效率,。在考慮如何改進轉(zhuǎn)換器時,，對于采用不同工藝技術(shù)和電感器尺寸的各種組合可能達到的不同效率，設(shè)計小組進行了計算,。

圖 5 顯示了計算結(jié)果,。根據(jù)計算，最先進的技術(shù)組合（采用銅互連技術(shù)的 0.25 μm 工藝技術(shù)與 25 μm 感應器）可實現(xiàn) 81% 的效率,。此外,，圖 5 中也顯示了在哪些地方可避免損耗。

圖 5. 高級 IC 可顯著提升效率

應用的其它部分也需要采用高級技術(shù)的 IC,，包括 MCU,。例如，TI 的超低功耗MSP430 MCU 平臺就是一個很好的例子,，處于工作狀態(tài)時其功耗僅為 160 微安／MHz,，在待機狀態(tài)下功耗還不足 500 納安。此外,，TI 提供的器件還可在緊湊的單芯片設(shè)計中將 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,，以實施無需線纜或電池即能檢測并報告工廠、汽車,、辦公室,、家庭以及其它環(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)合了 TI MSP430 微處理器,、RF 以及 eZ430-RF2500 開發(fā)套件，可實現(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 方框圖

實現(xiàn)微觀層面的能量采集以及最大限度節(jié)能為工程師提供了新的發(fā)展空間,，同時也提出了眾多嚴峻挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)將帶來諸多益處,，其中包括可進一步開發(fā)永續(xù)電子設(shè)備,、降低系統(tǒng)生命周期成本以及減少產(chǎn)品的環(huán)境影響等。令人振奮的是,，現(xiàn)在工具已準備就緒,，可隨時啟動開發(fā)工作。

參考文獻

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