為可穿戴系統(tǒng)供電的PAN能量收集技術(shù)

低功率硅器件的開發(fā)為能量收集提供了機(jī)會，以提供大部分（如果不是全部）連接器身周圍設(shè)備的能力。這些“個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)”（PAN）可以通過身體的運動或散熱來利用新一代超低功耗無線硅收發(fā)器連接身體周圍的設(shè)備。

能量收獲元件 - 無論是移動還是熱能 - 最常用于為柔性聚合物電池充電，以便為無線鏈路提供電力。當(dāng)僅發(fā)送少量數(shù)據(jù)時，這最有效，例如提供位置或醫(yī)療信息的更新，而不是身體周圍的流媒體音樂或視頻的更高能量負(fù)荷。這種較小的工作周期更適合于通過能量收集產(chǎn)生的較低功率。

正在開發(fā)幾種利用身體運動的不同技術(shù)。用于PAN的一種成熟的能量收集技術(shù)是壓電振動傳感器，其可用于捕獲振動能量。這尤其與鞋類，特別是訓(xùn)練鞋有關(guān)，其中恒定運動產(chǎn)生電流以為無線鏈路供電。這已經(jīng)在耐克的“智能”鞋中實現(xiàn)，它提供了一個回到手機(jī)或可穿戴終端的鏈接，提供了諸如足跡數(shù)或平均速度等數(shù)據(jù)。

大學(xué)的研究人員威斯康星 - 麥迪遜開發(fā)了一種鞋內(nèi)系統(tǒng)，可以收集行走所產(chǎn)生的能量，聲稱能耗近20瓦。這一過程被研究人員稱為“反向電潤濕”，通過微流體裝置將運動轉(zhuǎn)化為電能，其中數(shù)千個微滴（未公開的無毒，廉價液體）與納米結(jié)構(gòu)基質(zhì)相互作用。據(jù)稱該過程的功率密度高達(dá)每平方米一千瓦。這為密封電池供電，為網(wǎng)絡(luò)鏈路供電。

比利時IMEC的研究人員采用了一種不同的方法，他們在金屬電極之間開發(fā)了一種帶有壓電氮化鋁層的微機(jī)械懸臂。這形成了一個電容器，當(dāng)懸臂桿振動時會產(chǎn)生電荷，從而產(chǎn)生電能。然后可以收獲電容器兩端的電壓以驅(qū)動無線電路。這種方法的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是MEMS器件可以構(gòu)建在標(biāo)準(zhǔn)的6英寸CMOS晶片上。這提供了與無線收發(fā)器一起集成的潛力，可以直接或通過在服裝周圍分配電力。

MidéTechnologyV22BL懸臂壓電晶體可用于從低至26 Hz的振動源獲取能量。然而，必須充分理解振動環(huán)境，并且這對于諸如鞋或行走者之類的系統(tǒng)來說可能是困難的，因此最好的方法是使用加速度計測量振動。一旦捕獲了數(shù)據(jù)，快速傅立葉變換（FFT）就會提取頻率信息。 Midé提供獨立的振動表征設(shè)備，可輕松安裝到許多不同的振動環(huán)境中，以捕獲難以到達(dá)區(qū)域的數(shù)據(jù)。內(nèi)置計時器可以捕獲許多不同類型的振動，簡單的USB接口允許設(shè)計人員/用戶輕松表征任何振動。這也有助于確保晶體不會受到過度振動，從而損壞器件并縮短其使用壽命。

圖1：MidéTechnologyV22BL懸臂壓電晶體。

收獲能量不僅僅與傳感器有關(guān)。功率轉(zhuǎn)換也很重要，特別是在身體周圍。凌力爾特公司已將低損耗全波橋式整流器與高效降壓轉(zhuǎn)換器集成在一起，該轉(zhuǎn)換器針對此類高輸出阻抗能源進(jìn)行了優(yōu)化。 LTC3588-2是一款超低靜態(tài)電流欠壓鎖定（UVLO）模式，具有16 V上升閾值，可從具有高開路電壓的壓電傳感器中有效提取能量。

新西蘭的研究人員還開發(fā)了一類稱為“介電彈性體發(fā)生器”（DEG）的可變電容器發(fā)生器，可用于為體網(wǎng)絡(luò)供電。彈性體的使用以前受限于對龐大，剛性和昂貴的外部電路的需求，但奧克蘭生物工程研究所的仿生學(xué)實驗室的研究人員開發(fā)了一種柔性，柔軟的介電彈性體發(fā)生器，其可拉伸的電路元件集成在膜內(nèi)。該發(fā)電機(jī)的能量密度為10 mJ/g，效率為12％，簡單地由低成本的丙烯酸膜和安裝在框架中的碳脂組成，使其更易于用于衣服為網(wǎng)絡(luò)鏈路供電。

熱功率

熱傳感器也可用于身體周圍，通過溫差產(chǎn)生電能。珀耳帖效應(yīng)通常用于冷卻電子系統(tǒng)，但也可用于從衣服內(nèi)部和外部之間的溫度梯度產(chǎn)生電流。這可用于涓流供電或直接為無線鏈路供電。

利用德州儀器的MSP430微控制器和靈活的熱電薄膜技術(shù)，可以演示熱電網(wǎng)絡(luò)電子電子設(shè)備。這些被集成到與無線傳感器設(shè)備相連的臂帶中，這些設(shè)備僅使用佩戴者的體熱作為主要能量來收集和傳輸生理數(shù)據(jù)。

MSP430是一款具有16位RISC的超低功耗控制器對應(yīng)用程序高度透明的體系結(jié)構(gòu)。除了程序流指令之外的所有操作都作為寄存器操作與源操作數(shù)的七種尋址模式和目標(biāo)操作數(shù)的四種尋址模式一起執(zhí)行。 CPU集成了16個寄存器，可縮短指令執(zhí)行時間，使寄存器到寄存器的操作執(zhí)行時間為CPU時鐘的一個周期。這與低功率鐵電存儲器相結(jié)合，提供了非常低的能量消耗，使其能夠由熱電膜供電。在工作模式下，它在1 MHz和2.2 V時使用220μA，而在待機(jī)狀態(tài)下僅使用0.5μA。待機(jī)模式下的超快速喚醒僅需1μs，因此只需在捕獲傳感器數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到變送器時，控制器就可以關(guān)閉并上電。

這凸顯了醫(yī)療系統(tǒng)越來越多地使用能量收集，監(jiān)測身體心臟和其他器官的關(guān)鍵驅(qū)動因素。

圖2：TI MSP430F20x1的功能框圖。

Cymbet CBC-EVAL-09熱評估板提供了一個Peltier效應(yīng)器件來驅(qū)動無線鏈路，集成了提供電源所需的DC/DC轉(zhuǎn)換器。同樣，EnOcean的EDK312C評估套件也使用熱能為無線鏈路供電。

對于標(biāo)準(zhǔn)的低成本Peltier元件，這些器件的工作溫度典型值為20 mV，溫差為2 Kelvin。輸出功率在μW至mW的范圍內(nèi)，并取決于Peltier元件的實際溫差。開發(fā)套件中的ECT 310經(jīng)過精心設(shè)計和優(yōu)化，可為無線傳感器的EnOcean無線電模塊供電，其輸入電壓范圍為20 mV至50 mV，輸出電壓范圍為3 V至4 V.

典型的熱驅(qū)動傳感器由傳感器元件，小型Peltier元件，ECT 310 DC/DC轉(zhuǎn)換器和EnOcean STM 300或STM 312無線電模塊組成，這些無線電模塊已經(jīng)具有儲能功能。

圖3：EnOcean熱能收集評估套件。

太陽能

太陽能電池也可以成為可穿戴電子產(chǎn)品的主要供電商。由于許多手表已經(jīng)由太陽能電池供電，因此其想法正在擴(kuò)展到為無線設(shè)備供電。 EnOcean的ECS300太陽能電池也可以與EDK312C評估套件一起用作電源。

太陽能電池技術(shù)變得更加靈活，可以讓電池更容易地集成到外套等外套中。電池的效率也提高了，因此它們可以從室內(nèi)和室內(nèi)照明產(chǎn)生電力，從而提高其使用率。雖然它們可以直接用于為設(shè)備供電，但更常見的途徑是使用它們來涓流充電鋰離子電池，這些電池既輕便又可以集成到衣服中。這為顯示器和音樂播放器提供了動力，為LED和電致發(fā)光顯示器提供了電源。

Infinite Power Solutions的IPS-EVAL-EH-01評估板還展示了通用能量收集，高效的能量存儲和超低功率輸出調(diào)節(jié)，為使用太陽能電池開發(fā)自主供電的車身電子設(shè)備而設(shè)計的方便外形。

圖4： IPS能量收集評估板。

收獲的能量存儲在集成的固態(tài)可充電薄膜微能量電池（MEC）中。 MEC，也稱為固態(tài)電池（SSB），能夠在不需要更換電池的情況下使用應(yīng)用的整個生命周期，并使深度嵌入式應(yīng)用能夠自動運行和免維護(hù)數(shù)十年，提供最低的成本 - 低功耗微電子系統(tǒng)的所有權(quán)電源解決方案。

此外，IPS-EVAL-EH-01采用Maxim MAX17710能量收集電源管理IC（PMIC）來處理調(diào)節(jié)不良，高度可變的輸入。能源收集來源，如太陽能，射頻，熱能或振動，以及三洋能源的非晶硅太陽能。 Amorton太陽能技術(shù)使用非晶硅，使電池在給定功率輸出下更薄。這意味著可以生產(chǎn)小于1μm的超薄非晶硅膜并用于發(fā)電。通過使用塑料基材，可以使這種薄膜具有柔韌性。

這種自充電，自動調(diào)節(jié)平臺提供了一個示例能量收集和儲能系統(tǒng)，旨在為小型微電子設(shè)備供電，例如遠(yuǎn)程無線傳感器，無需維護(hù)就需要自動或永久供電的能源。

圖5：MAX17710 PMIC的簡化電路圖。

集成的獨特“非活動”事件驅(qū)動激活系統(tǒng)可在目標(biāo)系統(tǒng)活動期間實現(xiàn)1 nA的靜態(tài)電流，并在必要時提供外部AC或DC能源輸入。這些輸入能量源可以連接到IPS-EVAL-EH-01，為集成MEC提供電荷。此外，用戶或連接的目標(biāo)系統(tǒng)可以從1.8 V，2.3 V和3.3 V三種可用選項中選擇所需的穩(wěn)壓輸出電壓。

系統(tǒng)可以在三種功率模式下工作：高功率調(diào)節(jié)，低功率調(diào)節(jié)和非激活模式。在高功率調(diào)節(jié)模式下，系統(tǒng)靜態(tài)電流遠(yuǎn)低于1μA，輸出調(diào)節(jié)電壓嚴(yán)格控制，適合全功率系統(tǒng)運行。在低功耗調(diào)節(jié)模式下，靜態(tài)電流通常低于75 nA，輸出調(diào)節(jié)不太嚴(yán)格，適用于實時時鐘，低功耗處理器睡眠狀態(tài)和存儲器備份條件。在非激活模式下，目標(biāo)系統(tǒng)與集成的儲能設(shè)備完全隔離，僅使用1 nA的靜態(tài)漏極。在這種狀態(tài)下，系統(tǒng)可以接受輸入充電能量，并且可以響應(yīng)輸入事件，允許系統(tǒng)喚醒全功率并在重要輸入事件上運行。

IXYS提供IXOLAR SolarMD為各種電池供電和手持設(shè)備充電諸如移動電話，照相機(jī)，音樂播放器和玩具等消費產(chǎn)品可以為身體周圍的網(wǎng)絡(luò)提供動力。 22％的典型電池效率允許電池在低光照條件下發(fā)電，并在較小的占地面積內(nèi)延長電池壽命和運行時間。

克萊爾提供了一種不同的方法，帶有一串帶切換的太陽能電池電路。當(dāng)在陽光或明亮的人造光環(huán)境中操作時，光能將激活單元陣列并在輸出處產(chǎn)生電壓。 CPC1822的太陽能電池產(chǎn)生的浮動電源電壓和電流足以驅(qū)動和驅(qū)動CMOS IC，邏輯門，或為電池提供涓流充電。

結(jié)論

有幾種不同的能量收集源可用于直接為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電或為薄膜存儲設(shè)備充電以處理無線鏈路。利用車身的振動或運動，局部熱量或太陽能為開發(fā)不需要更換電池或定期從主電源重新充電的系統(tǒng)提供了廣泛的選擇。

雖然這些技術(shù)首先在醫(yī)療應(yīng)用中被采用，以提供對身體周圍數(shù)據(jù)的監(jiān)控并將其鏈接回中央數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但該技術(shù)正在進(jìn)入每天可穿戴系統(tǒng)。開發(fā)用于捕獲能量的新材料和技術(shù)，例如熱電或彈性體薄膜，再加上TI MSP430系列等超低功耗硅控制器和低功耗無線鏈路，正在制造自供電個人局域網(wǎng)實際的現(xiàn)實。