如何更多的獲取并更有效的利用能量，是這個世界永恒的話題,，電子工程師們?yōu)殡娮釉O備的供電問題也是操碎了心,。除了斤斤計較地節(jié)流之外，還要想方設法地開源,，尤其是對于未來越來越多的IoT設備而言,，越來越多的傳感器需要被部署到各種環(huán)境中，包括人跡罕至的荒原,、氣候惡劣的高山,、海洋。因此,，可以實現(xiàn)自供電的能量采集技術派上了大用場,，根據市調報告顯示，2012～2019年能量采集元件市場規(guī)模由1億多美元爆發(fā)成長至42億美元,。
能量采集技術的關鍵就是如何將這些微弱的環(huán)境能量采集起來,，并能高效轉換成電能，以給電子設備供電,。高性能模擬技術提供商ADI提供了多種能量收集應用的超低功率 IC,，用于對來自光伏能源 (太陽能) 、振動能源 (壓電)和熱能源 (TEC,、TEG,、熱電堆、熱電偶) 等能量進行轉換的電源管理產品可提供高效率轉換至穩(wěn)壓電壓,，使微功耗的能源收集成為可能,。
ADI廣泛的微功耗能量收集技術
采擷日之精華,，使自供電成為可能
環(huán)境中有各種的能量源,，光能,、熱能、振動能和RF能,，其中采用最為廣泛的是太陽能,，其具有最高的潛在能量采集量(從室外的100mW/cm2到室內光照的0.1mW/cm2)。小型太陽能電池含有光電電池,，能夠將光能轉化成電能,。但室內的光強不如室外，室內能量收集系統(tǒng)收集的能量受到太陽能模塊尺寸大小,、環(huán)境光強度及光譜組成的限制,。通常來說，太陽能電池收集的電能可以用于電池或超級電容器的充電,，從而為設備提供穩(wěn)定的電源,。
ADI基于太陽能的能量采集芯片ADP5090/5091/5092是非常好的解決方案。首先它們具有極低的功耗（<300nA）并在很低的電壓（380mV）下即可啟動工作,，同時可以管理采集到的微能量并給電池（鋰電池,、薄膜電池、超級電容等）和電容充電,，使之達到負載所需的工作電壓,。此外它可以支持突發(fā)性的射頻輸出或MCU，并支持第二個后備電池,。對于如何提高太陽能的轉換效率,，該系列芯片特別設計了MPPT（最大功率點跟蹤控制）功能來保證太陽能電池板能一直工作在最大功率點上，只需要手表盤大小的太陽能電池板即可工作,。因此,，該系列芯片廣泛用于可見光照射下的任何便攜式設備、無供電電源的傳感器,、無線發(fā)射模塊,、可穿戴設備等多種應用中。
ADP5090超低功耗升壓調節(jié)器,，集成MPPT和電荷管理功能
消除環(huán)境限制,，只需振動即可發(fā)電
振動能量存在形式多樣，振動能量收集是一種行之有效的環(huán)境能量發(fā)電方法,。根據發(fā)電原理不同,，振動發(fā)電機可以分為靜電式、電磁式與壓電式,。其中,，壓電式振動發(fā)電機以其能量轉換效率高,、結構簡單、無電磁干擾,、易于實現(xiàn)整體結構的微型化與集成化等優(yōu)點成為國內外振動發(fā)電領域研究的重點,。壓電換能器受到振動和移動時能夠產生電能。因此,，設備能夠將振動產生的動能轉化為 AC 電壓,，AC 電壓經過調整后，向系統(tǒng)提供電力,。例如用戶按下遙控器按鈕時產生的能量可以收集起來用于發(fā)送一個低耗能的無線電信號,。同樣地，當有人走過時,，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產生電能,，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。
ADI電源轉換芯片LTC3588配合小體積的換能器可以在0.25g的振動加速度和40Hz的頻率上產生200多微安的電流,。產品通過集成一個低損失全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉換器,，以造就一款專為高輸出阻抗能源 (例如：壓電換能器) 而優(yōu)化的完整能量收集解決方案。這電流看起來很小,，但對于很多微弱電流的監(jiān)控系統(tǒng)來講,，這個電流已基本足夠用，可以實現(xiàn)設備的終身免維護和無人值守,。
高效利用溫度梯度,，解決電池續(xù)航難題
溫差發(fā)電的工作原理基于塞貝克效應（Seebeck effect）。熱電發(fā)生器（TEG）通常由數(shù)百個N型和P型材料的柱體結構組成,，從電路上看它們通過串聯(lián)方式增加溫差電勢,，而在傳熱方面通過并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當器件兩端存在溫差時,，熱場驅動載流子運動并在回路中形成溫差電流,，以此來輸出功率。利用由系統(tǒng)內溫度變化而產生的電能,，能夠運作尤其是低功耗電路設計的系統(tǒng),，讓一些無法使用電池，或是電力線的低功耗應用可以實現(xiàn)?，F(xiàn)在,，甚至可以利用人體熱量為穿戴設備的傳感器供電。
以ADI高度集成的 DC/DC 轉換器LTC3108為例,，其非常適合于收集和管理來自諸如TEG,、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。數(shù)據顯示，一個3cm×3cm的TEG連上LTC3108,，可以產生3.3伏電壓,，在10度溫差時，大概就能產生60微安的電流,，可以得到200微瓦的功率,。試想一下，如果將其用于可穿戴設備,，人體的體表溫度可能有35度,，即使環(huán)境溫度有25度,，也能有10度的溫差,，如果是冬天，溫差可能就更大,，能夠產生更大的功率,，而且是可以持續(xù)不斷的為可穿戴設備供電，實現(xiàn)真正的“免充電”,。此外,，據ADI電源產品中國區(qū)市場總監(jiān)在此前的演講中透露，ADI目前還在考慮如何改進溫差發(fā)電轉化技術,。雖然已有的能量采集IC能實現(xiàn)把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏已經是非常大的挑戰(zhàn)了,，但ADI仍在思考如何把換能器功率進一步提高，從200微瓦提高到400微瓦,，并且體積只有目前的1/10,。
LTC3108 TEG 能量采集裝置的應用
本文小結
所有面向綠色能源或能量收集的產品都將在今年及之后的時間里迎來新的發(fā)展機遇。出于對能源成本和環(huán)境問題的關注以及延長移動設備電池使用壽命的需要,，業(yè)界對于包括智能可穿戴設備在內的眾多電子產品應用的功率優(yōu)化均投入了巨大的精力開展相關的研發(fā),。本文以ADI一系列針對不同應用的高性能電源管理芯片舉例，闡釋了如何使微功耗能量采集以更高的效率進行功率轉換,，并延長電池壽命,，或許可以為其他領域的能量采集提供參考，真正更高效,、更充分地利用我們周圍豐富的“免費”環(huán)境能源,。