充分利用幾毫瓦電能在要求實現基礎設計方法革命性創新的同時，也將我們帶入了“永續”電子設備的新時代
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、便攜式設備以及距離插座數英里之遙的固定設備供電，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的發展。但是，從環境中提取未利用能源的能源采集技術正日益成為各種應用領域中有力的競爭方案。在過去幾年里，能源采集技術已走出實驗室，來到設計工程師的工作臺。在短期內，雖然能源采集技術還不會完全替代所有應用領域的電池，但其已顯現出眾多優勢，如傳感器可無需更換電池或維護持續數年運行；低能耗、綠色環保；以及能為最終用戶帶來長期的低成本效益。
幾十年來，在世界能源構成中，憑借風能與太陽能發電場進行的大規模能源采集雖然所占份額較小，但一直處于增長態勢。2007 年，全球光伏市場規模約為12億美元，逆變器出貨數量不足 50 萬臺。現在，從振動、溫差、光及其它環境能源獲取毫瓦級電能的微型采集器也正在走向商業應用。幾毫瓦雖然微不足道，但非常適用于德州儀器 (TI) 等IC企業所開發的超低功耗技術產品。圖 1 顯著了大規模能源采集與微型能源采集之間的差異。
圖 1. 大規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域的新前景。此外，能源采集還要求工程師從能源角度出發修正自己的思維，特別是在能量管理設計的策略方面。雖然我們尚不能認為能源采集技術改寫了電路設計中實現最佳能源效率的規則，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、生物質能等）。
由于能源采集技術廣泛而多樣化，因而很少會有人試圖估計整個市場的規模有多大，而且還有很多應用沒有被發現。目前，人們對微型能源采集技術市場的考察一般傾向于該技術明確可替代電池的細分市場。
根據市場調研公司 Darnell Group 的統計數據，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、醫療、軍事以及航天等領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。
要求遠程節點自動運行數年的無線傳感器網絡成為首要的目標應用。根據其位置的不同，這些傳感器節點可從光、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域。此外，精工公司的 Kinetic 牌手表采用了將運動能轉換為電能的技術；Freeplay公司的 EyeMax 寬頻無線電廣播產品采用振動能為無線電系統供電。
從體熱采集能量是最具吸引力的技術之一，精工公司的 Thermic 牌手表就是采用這種方案。可統計從簡單的脈搏頻率到 ECG 波等關鍵數據的新一代生物計量傳感器甚至有可能以體熱作為能源。
轉換技術只是整個系統的一部分。典型的能源采集系統包括眾多組件，如轉換、薄膜電池中的暫存器、大量復雜的能源管理電路、模擬轉換器以及超低功耗微處理器 (MCU)。至關重要的設計目標是將電源電路與應用電路相匹配，以實現最佳總體性能。只要設計人員確信采集技術將支持這種產品就能開發出相關應用。
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 中給出了四種環境微型收集來源可提供的每單元能量的大約數據。
圖 2. 能源采集估算
下一步將評估可行系統 (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。每 100 平方毫米光伏電池平均可產生大約 1 mW 的電能。一般能源效率約為 10%，容量比（平均所產生的電能對太陽持續照射時將產生電能的比率）約為 15% ～ 20%。
- 市場上出售的動能收集系統可產生毫瓦級的電能。能量很有可能通過一個振蕩體（振動）而產生，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與汽車結構可產生振動能。基本動能收集技術包括：(1) 一個彈簧上的物體；(2) 將線性運動轉換為旋轉運動的設備；(3) 壓電電池。第 (1) 與第 (2) 項技術的優勢是，電壓不取決于電源本身，而取決于轉換設計。靜電轉換可產生高達 1,000 V 或更高的電壓。
- 熱電收集技術利用了賽貝克 (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生電壓。熱電發電機 (TEG) 由熱并聯與電串聯的熱電堆構成。最新型 TEG 在匹配負載下可產生 0.7V 輸出電壓，工程師在設計超低功耗應用時通常采用該電壓。所產生的電能取決于 TEG 的大小、環境溫度以及（當從人體收集熱能時的）新陳代謝活動水平。
- 根據比利時研究機構 IMEC 公司的研究，在 22?C 時，手表型 TEG 在正常活動中可產生平均 0.2 ～ 0.3 mW 的有用電能。一般情況下，一個 TEG 可持續為一個電池或超級電容器充電，但需要高級電源管理來優化性能。
上述三種主流微能量采集來源都有幾個共同之處。他們都通常產生不穩定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的 3.3V 穩定電壓。此外，這三種技術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，設計工程師需要使用電源轉換器與混合能源系統來解決這些問題。
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微型采集器能源技術所產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換器的電路。此外，二次損耗會對轉換效率產生影響。
在大多數情況下（但非所有情況下），不可采用我們熟悉的線性穩壓器拓撲結構，因為線性穩壓器只能使電壓降低，因而更適合使用開關穩壓器。通過切斷輸入信號，開關穩壓器可以控制其幅度和頻率。同時，開關拓撲結構也會消耗很少的電能。但從另一方面講，開關穩壓器會使信號頻譜發生改變，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。
對于工程設計人員來說，能量采集技術實現的設計環境與以往有很大不同。在傳統的電源管理應用中，最節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換。
然而，能量采集應用中輸入電壓一般比較低，因此設計工程師所面臨的環境恰恰相反。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。大電流導致電源轉換器的尺寸增大，從而更難提高系統效率。
在輸入電壓不穩定且較低的情況下，實現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衡利弊。比如，采用較大的開關可以減少電阻損耗，但更大的開關會要求更大的開啟電源，不過該開關可能無法提供。再比如，通過降低開關頻率可以提高效率，但這要求使用較大的濾波器。
設計人員應記住的最重要的一點是，對于僅能產生幾毫瓦功率的系統來說，管理電源所消耗的開銷可能等于甚至大于系統所產生的。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換器。圖 3 中所示的同步整流器電路雖不能提供穩定的電源，但它是對向另一個效率更高的電源轉換器定期發送高功率猝發的電容進行充電的良好解決方案。另一個轉換器負責處理應用電路所需的信號調節。
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計的電路也可以自動檢測功耗，同時可采用適當尺寸和數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化方案的優勢。
圖 4. 晶體管寬度轉換
在實施上述方案時應記住，設計最高效的轉換器可產生最多能量的傳統功率轉換方式并不總是適用于微型能量采集。應將對整個系統的能量輸出進行優化作為追求的目標。有時，這意味著設計方案并不以系統各部分均達到最高效率為目標。
對 IC 的判定選擇
設計人員必須清楚其選擇 IC 技術的含義。至少在潛意識中，每個人都意識到高級技術節點能生產出更高效率的半導體器件。在常規電路設計中，常常會忽視這種差別，因為亞微米器件的成本優勢被認為超過其效率所帶來的優勢。再次重申，微型能量采集應用改變了規則。
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計的小型電源轉換器通過采用 1.5 μm 工藝和 8 μm 電感器構建的 IC 可實現 53% 的效率。在考慮如何改進轉換器時，對于采用不同工藝技術和電感器尺寸的各種組合可能達到的不同效率，設計小組進行了計算。
圖 5 顯示了計算結果。根據計算，最先進的技術組合（采用銅互連技術的 0.25 μm 工藝技術與 25 μm 感應器）可實現 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，處于工作狀態時其功耗僅為 160 微安／MHz，在待機狀態下功耗還不足 500 納安。此外，TI 提供的器件還可在緊湊的單芯片設計中將 TI 超低功耗 MCU 與高度靈活的射頻 (RF) 收發器結合在一起，以實施無需線纜或電池即能檢測并報告工廠、汽車、辦公室、家庭以及其它環境中緊急情況的環境感知智能。例如，AdaptivEnergy 的免電池 Joule-Thief? 技術與完美結合了 TI MSP430 微處理器、RF 以及 eZ430-RF2500 開發套件，可實現多領域環境智能。圖 6 給出了 Joule-Thief 系統方框圖。
圖 6. Joule-Thief 方框圖
實現微觀層面的能量采集以及最大限度節能為工程師提供了新的發展空間，同時也提出了眾多嚴峻挑戰。戰勝這些挑戰將帶來諸多益處，其中包括可進一步開發永續電子設備、降低系統生命周期成本以及減少產品的環境影響等。令人振奮的是，現在工具已準備就緒，可隨時啟動開發工作。
參考文獻
“利用 CMOS 晶體管的脈寬調制 (Width-switching) 方案提高輕負載效率”，作者：S. Musunuri, P.L. Chapman，摘自“IEEE 電力電子快報”第 3 卷第 3 號的第 105-110 頁，日期 2005 年 9 月；
“針對低功耗DC－DC轉換器應用優化高寬 (High-width) CMOS晶體管”，作者：S. Musunuri, P.L. Chapman，摘自“2005 年 IEEE 電力電子專家會議”資料的第 2151-2157 頁，日期：2005 年 6 月；
“生物力學能量采集設備的設計與優化”，作者：P. Niu, P.L. Chapman、L. DiBerardino 及 E.T. Hsiao-Weckler，摘自在希臘羅得島舉辦的“2008 年 IEEE 電力電子專家會議”資料；
“Human++：從技術到新興的健康監測理念”，作者：J. Penders、B. Gyselinckx 及 R. Vullers et. al.，摘自由 IMEC vzw 出版的白皮書，日期：2008 年 4 月http://www2.imec.be/imec_sites/objects/7be71c7cb514f2be8c963ae242994a9a/human___white_paper_jp042008.pdf