基于塞貝克效應的溫差發(fā)電為低功耗可穿戴永續(xù)供電

人類對于科技改善生活的探索從來沒有停止，而在古代的人類則因為科學知識的欠缺，有不少人陷于并不可行的，今天看起來明顯違背科學常識的“科技探索”，大概“永動機”是其中最常見的人類普遍“迷思”——一種不需要外界輸入能量或者只需要一個初始能量就可以永遠做功的機器。

在歷史上，永動機一直被人們討論和研究，但是，很多人并不清楚這背后到底有什么意義。在人們的想象中，永動機是一種機械裝置，它可以不停地自動運動，而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。13世紀就有人就試圖想制造這種機械裝置，但是直到21世紀也沒有人真正制造出來。

科學常識豐富的當下，人們當然明白這種機械是不可能制造出來的，原因是違反能量守恒定律和熱力學定律。然而，今天領(lǐng)先的環(huán)境能量采集技術(shù)賦能下，一些看起來更像“永動機”的電子系統(tǒng)卻在生活或工業(yè)領(lǐng)域獲得普及應用，本文以ADI公司的環(huán)境能量采集技術(shù)的三個應用案例，解讀基于能量采集解決方案的現(xiàn)代技術(shù)實現(xiàn)“永動機”的方案思路。

微功耗能源采集技術(shù)讓電力線監(jiān)測一直在線

電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的最常見應用場景之一是被稱為故障指示器的節(jié)點監(jiān)控系統(tǒng)，當用電線路故障發(fā)生時，它會檢測并發(fā)送警報，使得線路工作人員能夠在最短時間內(nèi)檢修故障設(shè)備。過去因為電力公司的預算和資源有限，面對高昂的累計采購成本和大量的經(jīng)常性維護工作，往往無法在龐大的電力基礎(chǔ)設(shè)施中部署更多故障指示器。

為解決上述難題，ADI開發(fā)了一種新型線路傳感器架構(gòu)實現(xiàn)了有效的環(huán)境能量收集并管理多個電源，通過優(yōu)化的最大功率點跟蹤實現(xiàn)了超過90％的功率轉(zhuǎn)換效率。此外，具有寬動態(tài)范圍和高壓擺率的低功耗運算放大器支持羅氏線圈架構(gòu)，并以電流測量精度將磁場干擾降至最低，集成的ISM波段收發(fā)器執(zhí)行RF通信并支持傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該解決方案主要優(yōu)勢是能高效采集電能，而且只需更少的維護，并支持系統(tǒng)更快啟動、功耗更低和運行更平穩(wěn)。

其中核心芯片是ADP5091，提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級別。利用內(nèi)部冷啟動電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。

額外的150mA調(diào)節(jié)輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內(nèi)，從而保持穩(wěn)定的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。在OCV動態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調(diào)節(jié)點允許最大限度地提取采集器的能量。

基于塞貝克效應的溫差發(fā)電為低功耗可穿戴永續(xù)供電

溫差發(fā)電的工作原理基于塞貝克效應，通常由數(shù)百個N型和P型材料的柱體結(jié)構(gòu)組成的熱電發(fā)生器，從電路上看它們通過串聯(lián)方式增加溫差電勢，而在傳熱方面通過并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當器件兩端存在溫差時，熱場驅(qū)動載流子運動并在回路中形成溫差電流，以此來輸出功率。

利用由系統(tǒng)內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運作尤其是低功耗電路設(shè)計的系統(tǒng)，讓一些無法使用電池，或是電力線的低功耗應用可以實現(xiàn)?，F(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自諸如TEG、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產(chǎn)生3.3伏電壓，在10度溫差時，大概就能產(chǎn)生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。

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，更大溫差能夠產(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，實現(xiàn)真正的“免充電”。

采集環(huán)境無線電能量的無電池供電解決方案

無線功率傳輸（WPT）系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射（Tx）電路（包括發(fā)射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）。與典型的變壓器系統(tǒng)非常相似，發(fā)射線圈中產(chǎn)生的交流電通過磁場感應在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統(tǒng)不同的是，原邊（發(fā)射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

目前大多數(shù)無線功率傳輸應用都采用無線電池充電器配置。但是，如果特定應用根本沒有電池，取而代之的是，當無線電源可用時，只需提供一個穩(wěn)壓的電壓軌，遠程傳感器、計量、汽車診斷和醫(yī)療診斷領(lǐng)域，此類應用的例子極為常見。如果該遠程傳感器僅需要用戶在其附近時給出讀數(shù)，則可按需進行無線供電。

LTC3588-1就是一款納安功耗能量收集電源解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化，適合于無線電波環(huán)境能量采集。它內(nèi)置了一個低損耗全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，用于將能量從一個輸入存儲器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個可支持高達 100mA 負載的穩(wěn)定電壓。下圖顯示了采用LTC3588-1的完整發(fā)射端和接收端WPT解決方案（值得一提的是，該方案供電的距離適合2mm以內(nèi)的應用）。

WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌

編輯：jq