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

作者：Patrick Chapman，伊利諾伊斯大學(xué)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域中有力的競(jìng)爭(zhēng)方案。在過去幾年里，能源采集技術(shù)已走出實(shí)驗(yàn)室，來到設(shè)計(jì)工程師的工作臺(tái)。在短期內(nèi)，雖然能源采集技術(shù)還不會(huì)完全替代所有應(yīng)用領(lǐng)域的電池，但其已顯現(xiàn)出眾多優(yōu)勢(shì)，如傳感器可無需更換電池或維護(hù)持續(xù)數(shù)年運(yùn)行；低能耗、綠色環(huán)保；以及能為最終用戶帶來長(zhǎng)期的低成本效益。

幾十年來，在世界能源構(gòu)成中，憑借風(fēng)能與太陽能發(fā)電場(chǎng)進(jìn)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(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2007 年，全球光伏市場(chǎng)規(guī)模約為12億美元，逆變器出貨數(shù)量不足 50 萬臺(tái)?，F(xiàn)在，從振動(dòng)、溫差、光及其它環(huán)境能源獲取毫瓦級(jí)電能的微型采集器也正在走向商業(yè)應(yīng)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(jì)的策略方面。雖然我們尚不能認(rèn)為能源采集技術(shù)改寫了電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)最佳能源效率的規(guī)則，但對(duì)于眾多工程師而言，很多最佳的實(shí)踐操作都與直覺相反。

基本因素：市場(chǎng)

從廣義上講，采集能源包括各種來源，比如動(dòng)能（風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等）、電磁能（光伏、電磁波 (antenna/rectanna) 等）、熱能（太陽熱能、地?zé)?、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(huì)有人試圖估計(jì)整個(gè)市場(chǎng)的規(guī)模有多大，而且還有很多應(yīng)用沒有被發(fā)現(xiàn)。目前，人們對(duì)微型能源采集技術(shù)市場(chǎng)的考察一般傾向于該技術(shù)明確可替代電池的細(xì)分市場(chǎng)。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研公司 Darnell Group 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到 2012 年將有 2 億個(gè)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(yīng)用市場(chǎng)將從 2008 年的 1350 萬套增長(zhǎng)到 2013 年的 1.641 億套。

要求遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行數(shù)年的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為首要的目標(biāo)應(yīng)用。根據(jù)其位置的不同，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可從光、振動(dòng)或其它來源采集能量。比如，鐘表、計(jì)算器以及藍(lán)牙耳機(jī)等都是光伏電池應(yīng)用的潛在領(lǐng)域。此外，精工公司的 Kinetic 牌手表采用了將運(yùn)動(dòng)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(dòng)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。可統(tǒng)計(jì)從簡(jiǎn)單的脈搏頻率到 ECG 波等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的新一代生物計(jì)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(gè)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(fù)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(jì)目標(biāo)是將電源電路與應(yīng)用電路相匹配，以實(shí)現(xiàn)最佳總體性能。只要設(shè)計(jì)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(yīng)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(píng)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(duì)太陽持續(xù)照射時(shí)將產(chǎn)生電能的比率）約為 15% ～ 20%。
• 市場(chǎng)上出售的動(dòng)能收集系統(tǒng)可產(chǎn)生毫瓦級(jí)的電能。能量很有可能通過一個(gè)振蕩體（振動(dòng)）而產(chǎn)生，但由壓電電池或彈性體收集的靜電能也屬于動(dòng)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(dòng)能。基本動(dòng)能收集技術(shù)包括：(1) 一個(gè)彈簧上的物體；(2) 將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備；(3) 壓電電池。第 (1) 與第 (2) 項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是，電壓不取決于電源本身，而取決于轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。靜電轉(zhuǎn)換可產(chǎn)生高達(dá) 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(yīng)，即在兩個(gè)金屬或半導(dǎo)體之間存在溫差的情況下而產(chǎn)生電壓。熱電發(fā)電機(jī) (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(fù)載下可產(chǎn)生 0.7V 輸出電壓，工程師在設(shè)計(jì)超低功耗應(yīng)用時(shí)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(dāng)從人體收集熱能時(shí)的）新陳代謝活動(dòng)水平。
• 根據(jù)比利時(shí)研究機(jī)構(gòu) IMEC 公司的研究，在 22?C 時(shí)，手表型 TEG 在正?；顒?dòng)中可產(chǎn)生平均 0.2 ～ 0.3 mW 的有用電能。一般情況下，一個(gè) TEG 可持續(xù)為一個(gè)電池或超級(jí)電容器充電，但需要高級(jí)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(gè)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(shí)根本就不能提供電源。因此，設(shè)計(jì)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(dòng)電源轉(zhuǎn)換器的電路。此外，二次損耗會(huì)對(duì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)榫€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(hào)，開關(guān)穩(wěn)壓器可以控制其幅度和頻率。同時(shí)，開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)消耗很少的電能。但從另一方面講，開關(guān)穩(wěn)壓器會(huì)使信號(hào)頻譜發(fā)生改變，并導(dǎo)致頻率干擾。由于需要濾波對(duì)輸出進(jìn)行控制，采用這種方案會(huì)導(dǎo)致成本的上升。

對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來說，能量采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)環(huán)境與以往有很大不同。在傳統(tǒng)的電源管理應(yīng)用中，最節(jié)能的方法是采用高輸入電壓來啟動(dòng)，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(yīng)用中輸入電壓一般比較低，因此設(shè)計(jì)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(biāo)輸出電源能確定，則要求電源管理電路在較大電流下運(yùn)行。大電流導(dǎo)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(shí)現(xiàn)低成本和低能耗濾波的基本方法有幾種。當(dāng)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(huì)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(jì)人員應(yīng)記住的最重要的一點(diǎn)是，對(duì)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(jiǎn)單的任務(wù)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(fù)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(gè)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(duì)向另一個(gè)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(jìn)行充電的良好解決方案。另一個(gè)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)處理應(yīng)用電路所需的信號(hào)調(diào)節(jié)。

圖 3. 同步整流器電路

在一些應(yīng)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(gè)晶體管從小到大進(jìn)行排列（如圖 4 所示）。

伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)的電路也可以自動(dòng)檢測(cè)功耗，同時(shí)可采用適當(dāng)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(dāng)系統(tǒng)以待機(jī)功率水平運(yùn)行時(shí)，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(duì)于不按晶體管尺寸優(yōu)化方案的優(yōu)勢(shì)。

圖 4. 晶體管寬度轉(zhuǎn)換

在實(shí)施上述方案時(shí)應(yīng)記住，設(shè)計(jì)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(yīng)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量輸出進(jìn)行優(yōu)化作為追求的目標(biāo)。有時(shí)，這意味著設(shè)計(jì)方案并不以系統(tǒng)各部分均達(dá)到最高效率為目標(biāo)。

對(duì) IC 的判定選擇

設(shè)計(jì)人員必須清楚其選擇 IC 技術(shù)的含義。至少在潛意識(shí)中，每個(gè)人都意識(shí)到高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)能生產(chǎn)出更高效率的半導(dǎo)體器件。在常規(guī)電路設(shè)計(jì)中，常常會(huì)忽視這種差別，因?yàn)閬單⒚灼骷某杀緝?yōu)勢(shì)被認(rèn)為超過其效率所帶來的優(yōu)勢(shì)。再次重申，微型能量采集應(yīng)用改變了規(guī)則。

比如，對(duì)于早期能量采集應(yīng)用而言，伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn) 53% 的效率。在考慮如何改進(jìn)轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)于采用不同工藝技術(shù)和電感器尺寸的各種組合可能達(dá)到的不同效率，設(shè)計(jì)小組進(jìn)行了計(jì)算。

圖 5 顯示了計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算，最先進(jìn)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(yīng)器）可實(shí)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(jí) IC 可顯著提升效率

應(yīng)用的其它部分也需要采用高級(jí)技術(shù)的 IC，包括 MCU。例如，TI 的超低功耗MSP430 MCU 平臺(tái)就是一個(gè)很好的例子，處于工作狀態(tài)時(shí)其功耗僅為 160 微安／MHz，在待機(jī)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(jì)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(shí)施無需線纜或電池即能檢測(cè)并報(bào)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(shí)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(shí)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(shí)也提出了眾多嚴(yán)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(jìn)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(zhǔn)備就緒，可隨時(shí)啟動(dòng)開發(fā)工作。

參考文獻(xiàn)

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