在功率範圍的低端,存在能量採集系統的毫微功率(nanopower)轉換需求,例如物聯網(IoT)裝置中常見的能量採集系統。在此類系統中,必須使用能夠處理非常低功率與電流的電源轉換IC。這些功率和電流可能分別低至數十微瓦(mW)和毫微安(nA)。

最新和現成的能量採集(EH)技術,例如振動能量採集產品以及室內或穿戴式太陽光電(PV)電池,在典型作業條件下產生mW級的功率。儘管這一量級的功率或許看似有限,但像無線感測器節點(WSN)等能量採集元件在若干年內持續工作,可能意味著,無論是所提供的能量還是單位能量成本,能量採集產品大致上相當於壽命較長的主電池。

雖然主電池聲稱能夠提供長達10年的壽命,但這在極大程度上取決於從其而來的功率級以及汲取功率的頻率。擁有能量採集能力的系統一般能夠在電量耗盡後再充電,而僅由主電池供電的系統卻做不到這一點。不過,大多數的建置方案都將使用某種環境能量來源作為主電源,而用主電池作為環境能源的補充,當環境能量源消失或中斷時切換至主電池。這可被認為是一種「電池壽命延長器」的功能,可為系統提供很長的工作壽命——這接近於電池的工作壽命,對於鋰亞硫醯氯(Li-SOCI2)化學電池來說通常約為12年。

當然,能量採集電源所提供的能量取決於該電源能工作多長的時間。因此,能量採集電源的主要比較指標是功率密度,而不是能量密度。能量採集的可用功率通常很低、可變,而且是不可預測的,所以常常使用連接至採集器和輔助電源的混合結構。輔助電源可能是一塊可再充電電池或是一個儲存電容器。採集器由於能量供應無限以及功率不足,因而成為系統的能量源。輔助電力儲存庫(不是電池就是電容器)產生較大的輸出功率,但儲存較少的能量,在需要時供電,而在其他情況下則定期從能量採集器接收電荷。因此,在沒有環境能量可供採集時,輔助電力儲存器可用來為下游電子系統或WSN供電。

IoT驅動需求

支援IoT的無線感測器不斷迅速增加,提高了專為較低功率無線裝置量身訂製的小型、精巧和高效率電源轉換器需求。最近在物聯網領域出現的新興市場之一,就是穿戴式電子產品市場,從能量採集的角度來看,這個市場尤其令人感興趣。雖然仍處於萌芽期,但是該市場包括了諸如FitBit、Google Glass和Apple Watch智慧手錶等產品。當然,可穿戴技術不僅因應人類需求,還有許多應用也適於動物。近期出現的例子包括超音波斑塊治療、針對馬匹的電子馬鞍優化,以及為其他動物提供能進行追蹤、辨識與診斷等任務的頸圈。

不管是何種應用,此類裝置大多需要一個電池作為主電源。然而,對於因應人類需求的應用,似乎不久就會出現可利用太陽能產生電力的材料。您可以把這種材料做成的衣服想像成「電力」套裝。在這一研發領域處於前鋒的一家公司正在實施歐盟(EU)資助的計劃Dephotex,開發出輕量且軟性的穿戴式PV材料。很自然地,這種材料本身會將光子轉換成電能,然後讓使用者穿戴後用於為各種電子裝置供電,或者為這些裝置的主電池充電,甚至兩種功能兼而有之。

IoT的一個明顯應用是健康監測,不管是針對醫院的病患或是十分重視健康的個人。生物統計資料是衡量人體基本機能的重要資訊,包括體溫、脈搏/心率、呼吸速率和血壓。這些資料至關重要,因為這些生命徵象如果出現不良的變化,或許表示健康狀況下降,反之亦然。為了測量這些生物統計資料,醫院和診所中當然配備了齊全、昂貴的裝置。不過,想像一下,假如不必去醫療院所就能有效地測量此類生物統計資料,而且不用花費太多,那麼能為人們的生活品質帶來多大的改善呢?例如在家中或工作場所,可以按照即時健康情況隨時地調整生活和行為方式,從而改善健康水準並可能延長甚至挽救生命。

另一個例子也許是使用外骨骼以協助提高截癱患者的可動性,如圖1所示。幸運的是,裝置成本大幅降低,以及先進的感測器技術不斷進步,使得智慧醫療和健康穿戴式裝置得以持續快速增加。這類穿戴式裝置包括較簡單並可佩戴在身上的‘單一生命徵象’測量產品,也包括較複雜和到處都是感測器的人體外骨骼裝置。不過,從電源轉換IC的角度來看,劃分這些穿戴式裝置的組成以及為這些裝置高效供電也不是什麼容易的事。

20160510 Linear TA31P1 圖1:使用毫微功率DC/DC轉換器的人類外骨骼示例

那麼,典型的智慧穿戴式裝置運作靠什麼驅動呢?可以把它想像成一個微型嵌入式系統。準確地劃分其組成顯然取決於裝置本身;不過,一般來說,智慧穿戴裝置的核心架構包括下列部份:

  • 微處理器、微控制器或類似的IC
  • 微機電感測器(MEMS)
  • 小型機械致動器
  • 全球定位系統(GPS)IC
  • 藍牙/蜂巢式/Wi-Fi連接,以進行資料的採集/處理和同步
  • 成像電子元件、LED
  • 運算資源
  • 可再充電電池或主(不可再充電)電池或電池組
  • 支援性電子元件

因此,穿戴式裝置的主要設計目標顯然是精巧外形尺寸、重量很輕,以實現可穿戴性和舒適感,並擁有超低能耗以延長電池執行時間/壽命。

實用型電源轉換解決方案

為了因應小電流穿戴式裝置供電帶來的挑戰,凌力爾特科技(Linear Technology)提供了一系列的先進產品,這些電源轉換IC擁有可在IoT中實現低功率能量採集所需的特色和性能。例如高整合度的DC/DC轉換器LTC3107,透過採集和管理來自極低輸入電壓電源(例如熱電發電機[TEG]和熱電堆)的多餘能量,延長了低功率無線系統中主電池的壽命。

當採用LTC3107時,一個負載點能量採集器所需的空間極小,只要足以容納LTC3107的3mm x 3mm DFN封裝和少量外部元件即可。透過產生一個追蹤現有主電池電壓的輸出電壓,可無縫地採用LTC3107,為新的和現有的電池供電型設計導入免費熱能採集的成本節省。此外,LTC3107還能搭配小型熱能量源,共同延長電池壽命(有些情況下可長達電池的保質期),從而降低了因更換電池所需的經常性維護成本。LTC3107專為電池提供補充甚至完全為負載供電而設計,它取決於負載情況以及可用的採集能量。

另一個例子是LTC3331,這是一款完整的能量採集調節解決方案,當採集能量可用時,可提供高達50mA的連續輸出電流以延長電池壽命。當從採集的能量為負載提供穩定功率時,該元件就不需要由電池提供電流,而在無負載情況下以電池供電時,僅需要950nA的作業電流。LTC3331整合了高電壓的能量採集電源和一個同步升降壓DC/DC轉換器(該轉換器由可再充電主電池供電),而為WSN和IoT裝置等能量採集應用提供不間斷的輸出。 20160510 Linear TA31P2 圖2:LTC3331能轉換多種能源,並使用可再充電的主電池

LTC3331的能量採集電源由適合AC或DC輸入的全波橋式整流器和高效率的同步降壓型轉換器組成,從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性元件(AC)能源採集能量。10mA分路器以採集的能量實現簡便的電池充電,而低電量電池斷接功能則保護電池免於深度放電。可再充電電池為作業於1.8V-5.5V輸入範圍的同步升降壓轉換器供電,在無採集能量可用時用於調節輸出,而無論輸入高於、低於或等於輸出。在處理微功率電源時,LTC3331電池充電器擁有非常重要且不容忽視的電源管理功能。

LTC3331加入了電池充電器的邏輯控制功能,使其僅在能量採集電源有多餘的能量時才為電池充電。如果少了這種邏輯控制功能,能量採集電源就會在啟動時卡在某個非最佳工作點,而無法完成啟動而為目標應用供電。當採集的能源不可用時,LTC3331便會自動轉換到電池。這帶來了一個額外的好處是,如果適合的能量採集電源至少在一半的時間內可用,那麼以電池供電的WSN可使其工作壽命從10年延長至20年以上,甚至如果能量採集能源更普遍存在的話,壽命還會更長。

最後,毫微功率升降壓DC/DC轉換器LTC3335是一款高效率、低靜態電流(680nA)的轉換器,主要瞄準WSN和通用的能量採集應用。其整合的庫侖計數器可監測長效電池供電應用的電池累計放電量。該計數器將電池的累計放電量儲存在內部暫存器中,並可透過I2C介面存取。升降壓轉換器可在其輸入端電壓降低至1.8V時作業,並以高達50mA的輸出電流提供8接腳的可選輸出電壓。為了適應多種類型和尺寸的電池,峰值輸入電流的選擇範圍可以從低至5mA到高達250mA,而全尺度庫侖計數器具有32,768:1的可程式設計範圍。

結語

智慧型IoT穿戴式裝置市場近年來已出現爆炸性成長,而衍生了因應健康與健身、醫療、資訊娛樂、軍事和工業應用領域的多種產品。包括使用感測器的醫療保健穿戴式裝置等新一波產品可監測關鍵的生物統計資訊,例如在醫療院所以外測量心率和血壓,從而為更加積極、健康的生活方式創造了機會。智慧穿戴式裝置的核心架構取決於產品類型,但基本上由一個微控制器、MEMS感測器、無線連接電路、電池和支援性電子元件組成。

同樣地,針對提升建築物能源效率以及為工業機械和橋樑的系統健全狀況監測應用中,WSN的能量採集技術應用迅速增加,同時也是低功率轉換解決方案的主要推動因素之一。儘管為小電流穿戴式裝置供電非常具有挑戰性,透過先進的電源轉換IC,可望為低功率級實現非常高的性能。