詳細(xì)解析因應(yīng)能量收集應(yīng)用的超低功率需求

近年來(lái)，能量收集(energy harvesting)話題在電子設(shè)計(jì)群體內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。通過能量收集過程，能夠捕獲、收集然后透過電子設(shè)備來(lái)利用小批量的能量，從而能夠完成簡(jiǎn)單的任務(wù)，而無(wú)須在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中集成傳統(tǒng)電源。然而，為了有效地實(shí)現(xiàn)能量收集，系統(tǒng)需要以盡可能最高的能效等級(jí)工作，不管是系統(tǒng)規(guī)定的構(gòu)成元件，還是系統(tǒng)布設(shè)的方式，都是如此。下文將討論能量收集應(yīng)用的幾項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，以及創(chuàng)新的數(shù)字、模擬及電源管理半導(dǎo)體技術(shù)怎樣發(fā)揮關(guān)鍵作用來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。

如今在利用能量收集(或清理)的應(yīng)用包括建筑物自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視器/數(shù)字采集設(shè)備及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于能量收集并不依賴于傳統(tǒng)形式的電源，它有兩種關(guān)鍵的生態(tài)優(yōu)勢(shì)。首先，它不會(huì)導(dǎo)致任何化石燃料儲(chǔ)備的耗盡;其次，它不會(huì)增加污染等級(jí)(因?yàn)闆]有相應(yīng)的碳排放或用后丟棄的電池)。除了免去繞線或線纜之需并因此提供便利性，對(duì)于原設(shè)備制造商(OEM)和系統(tǒng)集成商而言，這類應(yīng)用的真正優(yōu)勢(shì)在于，一旦真正就位，它實(shí)際上不會(huì)產(chǎn)生日常運(yùn)行成本，因而不會(huì)收到公用事業(yè)機(jī)構(gòu)的賬單或是成本高昂的替換電池上門服務(wù)等。

提取所要求的能量

可以采取多種方式來(lái)從環(huán)境中收集能量(取決于何種方式被證實(shí)最適合于特定應(yīng)用背景)，產(chǎn)生的功率等級(jí)通常在10 μW至400 μW區(qū)間。 采用的機(jī)制包括溫差、動(dòng)力學(xué)(主要通過振動(dòng)運(yùn)動(dòng))、太陽(yáng)能、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)及電磁。然而，可能除了太陽(yáng)能外，有關(guān)能量采集是“免費(fèi)”能量的認(rèn)知并不是完全準(zhǔn)確。其于振動(dòng)或溫度梯度的能源利用了大量源自系統(tǒng)的浪費(fèi)能量。因此，須顧及維修及維護(hù)成本因素。

通過收集過程產(chǎn)生的能量可以用于多種方式，例如：

1. 開關(guān)(建筑物自動(dòng)化) – 施加在開關(guān)上使其導(dǎo)通或關(guān)閉的機(jī)械力足以產(chǎn)生相當(dāng)于數(shù)毫焦耳(mJ)的能量來(lái)運(yùn)行無(wú)線收發(fā)器。這種方式發(fā)送射頻(RF)信號(hào)來(lái)啟動(dòng)門鎖或燈。這種方式由于不需要繞線，故提供后勤維護(hù)及審美上的效果。

2. 溫度傳感器(建筑物自動(dòng)化) – 環(huán)境空氣與加熱器之間的溫差能提供將溫度數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送回給調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的能量。

3. 空調(diào)(建筑物自動(dòng)化) – 空調(diào)導(dǎo)管的振動(dòng)能用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電氣信號(hào)?？照{(diào)可以通過此信號(hào)來(lái)控制。

4. 遠(yuǎn)程監(jiān)控(工業(yè)/環(huán)境) – 其形式可能是無(wú)人值守氣象臺(tái)、化工廠的氣體感測(cè)系統(tǒng)、海嘯警示系統(tǒng)等。太陽(yáng)能電池或小型風(fēng)力渦輪機(jī)可以提供所要求的能量。

5. 醫(yī)療植體(保健) – 諸如血糖監(jiān)測(cè)儀，此類應(yīng)用中，熱量或人體活動(dòng)使置于病人皮膚上的低功率無(wú)線收發(fā)器能夠?qū)?shù)據(jù)反饋至診療中心，而無(wú)需包含電池(因而提升病人的舒適度，并減少不便利體驗(yàn))。

6. 手表(消費(fèi)) – 太陽(yáng)能或運(yùn)動(dòng)能量能用于支援無(wú)電池手表的工作。

7. 胎壓監(jiān)測(cè)(TPMS，汽車應(yīng)用) – 使用表面聲波(SAW)傳感技術(shù)， 有可能規(guī)避因安裝電池及在各個(gè)汽車輪胎上配合溫度/壓力傳感器所需的復(fù)雜電子電路產(chǎn)生的問題，因而縮短物料單(BOM)成本及所需的工程資源。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

由于要處理的能量?jī)H為微瓦(μW)級(jí)，顯而易見的是，采取一切可能的措施來(lái)最充分利用能量至關(guān)重要。工程師需要努力工作以避免浪費(fèi)。這涉及到硬件及軟件考慮因素