電池供電連網設備的主要挑戰之一是自主性。更大的電池容量、更長的電池壽命,而電池體積卻不能增加,諸如此類的需求越來越多。例如有一些可穿戴設備可能是醫療植入物,這種設備不可能採用笨重的電池,促使電池技術正透過利用能量收集來滿足越來越多的需求。

對於具有較小外形尺寸的設備,例如暴增的物聯網(IoT)設備,能量收集具有令人難以想像的優勢。這些小型設備通常只需要很小的電流,從各種來源收集能量可能是一個極具價值的設計要點。

可穿戴醫療解決方案

用於醫療用途的可穿戴設備通常用於檢測、儲存和傳輸即時測量的人體重要參數(例如心率、血氧飽和度、呼吸速率),以報告某些關鍵指標的臨界超標狀況。根據Frost & Sullivan發表的「臨床和消費者健康中的可穿戴技術」一文中的分析,2020年全球醫療領域的可穿戴設備市場將達189億美元。

能量收集解決方案已被設計為電池的輔助電源,或作為不受能耗限制的可穿戴設備永久使用的獨立電源。但能量收集同時被認為是不可靠的能量來源,因為根據環境條件的變化,能量的可用性會隨著時間的推移而顯著變化。因此,可以將諸如振動、熱或太陽能等能量收集源與可充電電池結合使用。

摩擦電效應

摩擦生電是兩種不同材料在接觸和分離時產生表面電荷的過程。在其接觸過程中,每種材料都會產生一種極性相反的電荷。近年來,在開發摩擦電能量收集系統方面已經取得了進展,比如摩擦電奈米發電機(TENG)。這些系統需要的最基本零件包括:至少兩層摩擦電材料、它們之間的物理隔離、用於收集電能的電極,以及用來最大化收集效率的調節電路(圖1)。

20191119TA31P1 圖1 TENG調節電路;t1表示開關閉合時(能量由LC單元儲存),t2表示開關打開時(能量由LC單元釋放)。

如圖1所示,TENG中傳統DC-DC降壓轉換器與AC-DC降壓轉換電路耦合。在開關和負載電阻R之間,依次添加二極體D1、串聯電感L和電容C。開關不僅用於最大化能量傳輸,還用於將輸入降壓發送到電路,該開關可以透過帶有MOSFET的微功率電壓比較器來實現,以整合自我管理機制。

熱能

熱能收集是指擷取環境中隨處可得的熱量,或收集引擎、人體和其他來源排出的廢能並重新投入使用的過程。利用塞貝克效應(Seebeck Effect)可以實現將熱能直接轉換成電能,透過適當設計的熱電裝置誘發的熱流產生電壓和電流。PN接面是熱電發電機(TEG)的基本元件,它由P型和N型的單一結構熱電材料組成,多個PN接面串聯起來構成TEG。

如果將多個PN電、熱學並聯,可以構建典型的TEG模組,產生與熱梯度成比例的電壓。熱電或TEG發電模組已經用於多項應用中,例如太空船,它們收集由放射性物質衰變所釋放的熱能。

可穿戴醫療電子產品這個新興領域也在透過體溫加熱裝置提供熱電,從而為能量收集提供了巨大潛力。

振動能量

振動能量收集,是利用旋轉機器(例如馬達)或人體運動產生的相關自然低電平電源,它們可以產生數百微瓦或1毫瓦的能量。

振動能量收集所使用的壓電感測器是一種不對稱晶體。這種材料的晶格單元具有不對稱性,可以建立這樣一種機制,即透過使晶體變形而造成小電位差。

但是,為了「調整」壓電感測器的特性,必須充分瞭解振動物體的頻率分佈並找到其諧振頻率。對於諸如馬達這類應用,振動特性和諧振頻率是眾所周知的。對於其他應用,要充分理解就需要採用加速度計測量物體的振動,並透過快速傅立葉轉換(FFT)獲得的資料分析其頻率特性,從而找到諧振頻率。

射頻能量

射頻無線能量收集可以為可攜式裝置提供更長的電池壽命。電磁波來自各種源頭,如衛星站、GSM和無線網際網路。射頻能量收集系統可以擷取電磁能量並將其轉換為可用的CC電壓,其主要佈局由天線和整流器電路組成,整流器電路用於將射頻功率或交流電(CA)轉換為CC訊號,另外阻抗匹配網路(IMN)用來確保射頻源和負載之間的最大功率傳輸。

電源管理

電源管理在小型和可穿戴整合系統中尤為重要,例如醫療監控設備、物件追蹤系統,以及其他需要低配置且經濟高效的行動運算解決方案的應用。目前的趨勢仍然是使用超級電容,它提供一種基於奈米技術的儲存能量新方法。與電池不同,超級電容可在幾秒鐘內充電,並可承受近乎無限的充電週期。超級電容的能量密度高於標準電容,但低於物聯網系統中使用的標準電池(圖2)。

20191119TA31P2 圖2 BestCap BZ系列超級電容。(資料來源:AVX)

LTC3109是一款高度整合的DC/DC轉換器,非常適用於淺輸入電壓源的能量收集,如TEG和熱電堆。無論極性如何,它允許輸入電壓高達30mV。當輸入電壓源不可用時,也可以對儲存電容(或電池)充電以供電,其淺靜態電流和高效率最大化了應用中可用的能量收集(圖3)。

20191119TA31P3 圖3 LTC3109典型應用。(資料來源:ADI)

MAX17710是一款完整的能量充電系統,能夠處理調節不良的訊號源,範圍從1μW~100mW。該元件還包括一個升壓調節器電路,可從0.75V(頂端)開始為電池充電,另有一個內部穩壓器可保護電池免於超載。提供目標應用的輸出電壓由一個可調線性穩壓器調節,其低壓差(LDO)可調,可選電壓為3.3V、2.3V或1.8V(圖4)。

20191119TA31P4 圖4 簡化的MAX17710工作電路。(資料來源:Maxim Integrated)

SPV1050是意法半導體的一款IC,可以為任何電池充電,包括薄膜電池。其電源管理同時適用於太陽能電池和TEG採集源,因為它涵蓋了75mV~18V的輸入電壓範圍,確保了降壓-升壓和升壓配置的高效率(圖5)。

20191119TA31P5 圖5 SPV1050原理框架圖。

AEM40940是一個能量管理子系統,它與整流器整合,從環境射頻波中提取交流電,同時將能量儲存到可充電元件和供電系統中,該系統具有兩個獨立的穩壓電壓。採用該元件,設計人員可以延長各種可穿戴設備的使用壽命(圖6)。

20191119TA31P6 圖6 AEM40940的電路佈局。(資料來源:E-Peas Semiconductors)

AEM40940可收集高達10dBm的可用輸入功率,並整合了一個超低功耗整流器和一個升壓轉換器。其配置接腳透過設置記憶元件的預置條件來確定各種操作模式。

結論

從各種來源收集的能量將用於為超級電容和/或可充電/薄膜電池充電,從而可以充當負載的恆定能量源。但是,交流或直流電壓可用的能量收集必須轉換為類比和數位元件的適當直流電平。電子設計人員面臨的主要障礙之一是可用儲能技術的選擇有限,微電子能源收集正在開闢新的應用領域,將對物聯網的發展產生重大影響。

(參考原文:Energy Harvesting for Ultra-Low Power Wearable Medical Devices,by M. Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EE Times Taiwan 11月號雜誌