如何更多的獲取并更有效的利用能量，是這個(gè)世界永恒的話題，電子工程師們?yōu)殡娮釉O(shè)備的供電問(wèn)題也是操碎了心。除了斤斤計(jì)較地節(jié)流之外，還要想方設(shè)法地開(kāi)源，尤其是對(duì)于未來(lái)越來(lái)越多的IoT設(shè)備而言，越來(lái)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(shí)現(xiàn)自供電的能量采集技術(shù)派上了大用場(chǎng)，根據(jù)市調(diào)報(bào)告顯示，2012～2019年能量采集元件市場(chǎng)規(guī)模由1億多美元爆發(fā)成長(zhǎng)至42億美元。
能量采集技術(shù)的關(guān)鍵就是如何將這些微弱的環(huán)境能量采集起來(lái)，并能高效轉(zhuǎn)換成電能，以給電子設(shè)備供電。高性能模擬技術(shù)提供商ADI提供了多種能量收集應(yīng)用的超低功率 IC，用于對(duì)來(lái)自光伏能源 (太陽(yáng)能) 、振動(dòng)能源 (壓電)和熱能源 (TEC、TEG、熱電堆、熱電偶) 等能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電源管理產(chǎn)品可提供高效率轉(zhuǎn)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(shù)
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(dòng)能和RF能，其中采用最為廣泛的是太陽(yáng)能，其具有最高的潛在能量采集量(從室外的100mW/cm2到室內(nèi)光照的0.1mW/cm2)。小型太陽(yáng)能電池含有光電電池，能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)化成電能。但室內(nèi)的光強(qiáng)不如室外，室內(nèi)能量收集系統(tǒng)收集的能量受到太陽(yáng)能模塊尺寸大小、環(huán)境光強(qiáng)度及光譜組成的限制。通常來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能電池收集的電能可以用于電池或超級(jí)電容器的充電，從而為設(shè)備提供穩(wěn)定的電源。
ADI基于太陽(yáng)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(dòng)工作，同時(shí)可以管理采集到的微能量并給電池（鋰電池、薄膜電池、超級(jí)電容等）和電容充電，使之達(dá)到負(fù)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(gè)后備電池。對(duì)于如何提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率，該系列芯片特別設(shè)計(jì)了MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤控制）功能來(lái)保證太陽(yáng)能電池板能一直工作在最大功率點(diǎn)上，只需要手表盤大小的太陽(yáng)能電池板即可工作。因此，該系列芯片廣泛用于可見(jiàn)光照射下的任何便攜式設(shè)備、無(wú)供電電源的傳感器、無(wú)線發(fā)射模塊、可穿戴設(shè)備等多種應(yīng)用中。
ADP5090超低功耗升壓調(diào)節(jié)器，集成MPPT和電荷管理功能
消除環(huán)境限制，只需振動(dòng)即可發(fā)電
振動(dòng)能量存在形式多樣，振動(dòng)能量收集是一種行之有效的環(huán)境能量發(fā)電方法。根據(jù)發(fā)電原理不同，振動(dòng)發(fā)電機(jī)可以分為靜電式、電磁式與壓電式。其中，壓電式振動(dòng)發(fā)電機(jī)以其能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)電磁干擾、易于實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的微型化與集成化等優(yōu)點(diǎn)成為國(guó)內(nèi)外振動(dòng)發(fā)電領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。壓電換能器受到振動(dòng)和移動(dòng)時(shí)能夠產(chǎn)生電能。因此，設(shè)備能夠?qū)⒄駝?dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過(guò)調(diào)整后，向系統(tǒng)提供電力。例如用戶按下遙控器按鈕時(shí)產(chǎn)生的能量可以收集起來(lái)用于發(fā)送一個(gè)低耗能的無(wú)線電信號(hào)。同樣地，當(dāng)有人走過(guò)時(shí)，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產(chǎn)生電能，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。
ADI電源轉(zhuǎn)換芯片LTC3588配合小體積的換能器可以在0.25g的振動(dòng)加速度和40Hz的頻率上產(chǎn)生200多微安的電流。產(chǎn)品通過(guò)集成一個(gè)低損失全波橋式整流器和一個(gè)高效率降壓型轉(zhuǎn)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(lái)很小，但對(duì)于很多微弱電流的監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)講，這個(gè)電流已基本足夠用，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的終身免維護(hù)和無(wú)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(yīng)（Seebeck effect）。熱電發(fā)生器（TEG）通常由數(shù)百個(gè)N型和P型材料的柱體結(jié)構(gòu)組成，從電路上看它們通過(guò)串聯(lián)方式增加溫差電勢(shì)，而在傳熱方面通過(guò)并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當(dāng)器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)并在回路中形成溫差電流，以此來(lái)輸出功率。利用由系統(tǒng)內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運(yùn)作尤其是低功耗電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，讓一些無(wú)法使用電池，或是電力線的低功耗應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在，甚至可以利用人體熱量為穿戴設(shè)備的傳感器供電。
以ADI高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3108為例，其非常適合于收集和管理來(lái)自諸如TEG、熱電堆和小型太陽(yáng)能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。數(shù)據(jù)顯示，一個(gè)3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產(chǎn)生3.3伏電壓，在10度溫差時(shí)，大概就能產(chǎn)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(shè)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(chǎn)生更大的功率，而且是可以持續(xù)不斷的為可穿戴設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)真正的“免充電”。此外，據(jù)ADI電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)在此前的演講中透露，ADI目前還在考慮如何改進(jìn)溫差發(fā)電轉(zhuǎn)化技術(shù)。雖然已有的能量采集IC能實(shí)現(xiàn)把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏已經(jīng)是非常大的挑戰(zhàn)了，但ADI仍在思考如何把換能器功率進(jìn)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(yīng)用
本文小結(jié)
所有面向綠色能源或能量收集的產(chǎn)品都將在今年及之后的時(shí)間里迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。出于對(duì)能源成本和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注以及延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備電池使用壽命的需要，業(yè)界對(duì)于包括智能可穿戴設(shè)備在內(nèi)的眾多電子產(chǎn)品應(yīng)用的功率優(yōu)化均投入了巨大的精力開(kāi)展相關(guān)的研發(fā)。本文以ADI一系列針對(duì)不同應(yīng)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(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，并延長(zhǎng)電池壽命，或許可以為其他領(lǐng)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(fèi)”環(huán)境能源。