因應(yīng)能量收集應(yīng)用的超低功率需求

　　作者：安森美半導(dǎo)體Bruno Damien及Canova Tech公司Andrea Colognese

　　近年來，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)備來利用小批量的能量，從而能夠完成簡單的任務(wù)，而無須在系統(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)用包括建筑物自動化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)視器/數(shù)字采集設(shè)備及無線傳感器網(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。首先，它不會導(dǎo)致任何化石燃料儲備的耗盡；其次，它不會增加污染等級（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)勢在于，一旦真正就位，它實(shí)際上不會產(chǎn)生日常運(yùn)行成本，因而不會收到公用事業(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)生的功率等級通常在10 μW至400 μW區(qū)間。 采用的機(jī)制包括溫差、動力學(xué)（主要通過振動運(yùn)動）、太陽能、壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)及電磁。然而，可能除了太陽能外，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。

　　圖 1 ： 真實(shí)世界應(yīng)用的功率范圍

　　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）的能量來運(yùn)行無線收發(fā)器。這種方式發(fā)送射頻（RF）信號來啟動門鎖或燈。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)（建筑物自動化） – 空調(diào)導(dǎo)管的振動能用于通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生電氣信號?？照{(diào)可以通過此信號來控制。

　　4. 遠(yuǎn)程監(jiān)控（工業(yè)/環(huán)境） – 其形式可能是無人值守氣象臺、化工廠的氣體感測系統(tǒng)、海嘯警示系統(tǒng)等。太陽能電池或小型風(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)測儀，此類應(yīng)用中，熱量或人體活動使置于病人皮膚上的低功率無線收發(fā)器能夠?qū)?shù)據(jù)反饋至診療中心，而無需包含電池（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)） – 太陽能或運(yùn)動能量能用于支援無電池手表的工作。

　　7. 胎壓監(jiān)測（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

　　由于要處理的能量僅為微瓦（μW）級，顯而易見的是，采取一切可能的措施來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，能夠通過應(yīng)用高能效的元器件及確保充分的設(shè)計(jì)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)。至關(guān)重要的是，電子系統(tǒng)包含由智能電源管理組成的低壓電路?？赡苓€需要考慮到能量存儲問題，因?yàn)檫@些系統(tǒng)工作的零散（sporadic）屬性表示，在許多情況下，能量被采集的時間與能量后來被利用的時間之間沒有直接關(guān)聯(lián)。使用的存儲方法必須采用低壓工作，并帶有大充電電流能力、適當(dāng)?shù)姆烹娔芰?，以及很可能完全無自放電能力。處于系統(tǒng)核心的數(shù)字IC必須能夠提供超足量的處理器性能，以承擔(dān)系統(tǒng)工作，同時還要能夠配合低壓工作，從而不超過功率預(yù)算。此外，這數(shù)字IC的性價比必須足夠高，使其應(yīng)用不會太過于影響跟系統(tǒng)相關(guān)的總體支出，否則的系統(tǒng)的價格會太高，無法部署在前方論及的許多能量收集應(yīng)用中。

　　圖 2 ： 謹(jǐn)慎利用可用能源

　　通常情況下，如果有需要增強(qiáng)性能等級、提供更大程度的優(yōu)化或提高集成度，OEM就會考慮采取定制方法，從項(xiàng)目開始就與專用集成電路（ASIC）供應(yīng)商合作。不利的是，這種方法并不總是可行，因?yàn)樗蟠罅康那捌谪?cái)務(wù)投資以支付一次性工程（NRE）成本，隨后還必須有足夠大的批量以收回投資。許多能量收集應(yīng)用并沒有足夠大的批量來采取這種方法，但另一方面，在后續(xù)流程上僅是將現(xiàn)成元件布設(shè)到一起的工程師很可能無法將系統(tǒng)能效提升至最高。令情況更糟糕的是，開發(fā)過程很可能要求大量的時間和工程資源。