新型能量收集技術(shù)在MESE領(lǐng)域的應(yīng)用

新型能量收集技術(shù)不斷挑戰(zhàn)設(shè)計人員能夠向系統(tǒng)供電的方式。 用于移動電話的微型風(fēng)輪機和用于心臟起搏器的寬帶熱能收集技術(shù)正創(chuàng)造出全新的發(fā)電方法。 本文將介紹 MESE 領(lǐng)域的最新能量收集技術(shù)，以及設(shè)計人員如何收集產(chǎn)生的電能。 本文將重點討論來自 Linear Technologies、STMicroelectronics 和 EnOcean 的器件。

隨著傳感器和無線鏈路的電能要求減弱，作為家庭、工廠車間甚至是人體內(nèi)部的簡易供電方法，能量收集器件的作用愈顯重要。 這種情況一直在激勵著各種公司和大學(xué)的研究人員，他們考慮利用一些極為吸人眼球的全新途徑來實現(xiàn)能適應(yīng)環(huán)境的不同發(fā)電方法。

這包括熱電學(xué)——熱生電——如美國能源部等機構(gòu)正與寶馬 （BMW）、通用 （GM） 聯(lián)手，將發(fā)動機和尾氣廢熱轉(zhuǎn)換為電能，然后用于車輛的電氣系統(tǒng)。 NASA 使用熱電器件向火星車供電，這些器件與太陽能電池不同，工作時沒有光線。 壓電式能量收集器憑借體積小、能效高的特性引起了人們極大的興趣。 市場研究公司 IDtechEx 稱，到 2022 年，這四種能量收集形式在工業(yè)檢測應(yīng)用方面的市場份額將大致相同。 到 2024 年，能量收集設(shè)備的市場總額將攀升至 26 億美元。

圖 1：能量收集技術(shù)的市場發(fā)展情況。 來源：IDtechEx （2014.02）。

使用微型風(fēng)車是一種極為新穎方法，這種器件所采用的技術(shù)與手機中實現(xiàn)最新加速計的技術(shù)相同。 來自美國德克薩斯州大學(xué)的一位研究助理兼電氣工程教授設(shè)計出一種能產(chǎn)生風(fēng)能的微型風(fēng)車。據(jù)稱，該器件可用于為手機電池充電。

圖 2：能向手機供電的 MEMS 風(fēng)車。

Smitha Rao 和 J.C. Chiao 教授設(shè)計和制造的器件，其最寬部分約 1.8 mm。 在手機套上可以看到數(shù)百個嵌入式風(fēng)車，在空中晃動手機或者在有風(fēng)天氣手持手機對準打開的窗戶時，由此產(chǎn)生的風(fēng)會發(fā)電并由手機電池收集這種電能。

Rao 在微型機器人設(shè)備方面的工作最初吸引了一家***公司的注意，他們有興趣將 Rao 和 Chiao 在創(chuàng)新設(shè)備設(shè)計和應(yīng)用方面的奇妙想法運用到公司的微加工 （MEMS） 制造工藝上，這種工藝已在加速計方面實現(xiàn)了商業(yè)化。

Rao 的設(shè)計把折紙概念和傳統(tǒng)的晶圓級半導(dǎo)體設(shè)備布局相結(jié)合，以使復(fù)雜的 3 D 可移動機械結(jié)構(gòu)能利用已由鑄造廠優(yōu)化的平面多層電鍍工藝——WinMEMS 技術(shù)——從二維金屬件實現(xiàn)自裝配。 微型風(fēng)車之所以工作良好，是因為所用金屬合金是柔性材料以及 Rao 的設(shè)計遵循了功能極簡化主義。

微型風(fēng)車于 2013 年 9 月在 Chiao 辦公室順利通過測試。 由于采用了耐用的鎳合金以及智能化空氣動力學(xué)設(shè)計，這種風(fēng)車在人造強風(fēng)環(huán)境下未出現(xiàn)任何材料斷裂情況。 大多數(shù) MEMS 設(shè)計人員面臨的問題是材料易碎，但采用鎳合金就能消除這一問題并使設(shè)備持久耐用。

Rao 說，這僅僅是第一步，因為可以采用批量工藝成系列地制造微型風(fēng)車。 制造一個設(shè)備與在一個晶圓上制造數(shù)百或數(shù)千個設(shè)備的成本相同，因此可大批量生產(chǎn)成本極低的系統(tǒng)。

小尺寸意味著可以制造帶有數(shù)千微型風(fēng)車的扁平面板，并將其安裝到房屋或者建筑墻壁上，為照明、安防或環(huán)境、無線通訊收集能量。

然而，無論是向手機充電，還是安裝在房屋上，風(fēng)車陣列將產(chǎn)生少量電流，而這可能會造成需要通過電源管理系統(tǒng)才能控制的顯著變化。 盡管手機電池可用來消除一部分這種變化，但還是需要謹慎管理充電過程。 對于向房屋供電的大型陣列，這種變化更巨大。

諸如來自 Linear Technology 的 LTC3108 器件能利用極低輸入電流提供穩(wěn)定輸出。 為能順利實現(xiàn)該功能，風(fēng)車陣列必須與電源管理設(shè)備的輸入范圍相匹配，而且這需要經(jīng)過精心優(yōu)化。 所需輸入容差可能比現(xiàn)有的更小，并將影響下一代電源管理設(shè)備的設(shè)計。

STMicroelectronics 也在利用一種新型芯片開發(fā)能量收集應(yīng)用，這種芯片集成了利用太陽能電池或熱電發(fā)電機 （TEG） 向電子電路供電、向電池再充電所需的全部功能。 這種應(yīng)用基于該公司的 SPV1020 單片 4 相交錯式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，該器件旨在使太陽能光伏板最大限度地產(chǎn)生電能，但不受溫度和太陽照射影響。

利用嵌入式邏輯器件進行電能轉(zhuǎn)換優(yōu)化，邏輯器件在連接轉(zhuǎn)換器的 PV 電池上執(zhí)行 MPPT（最大功率點跟蹤）算法。 在 PV 板的接線盒內(nèi)可放置一個或多個轉(zhuǎn)換器，以更換旁路二極管，并且，由于以本地方式計算最大功率點，因此系統(tǒng)級能效要高于在主要的集中式逆變器上進行 MPP 計算的傳統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)。

SPV1050 已將這種能力擴展到 TEG 系統(tǒng)，可支持電源要求從幾微瓦到數(shù)毫瓦的應(yīng)用，且該器件同樣適于利用太陽能或熱能的室內(nèi)外消費和工業(yè)類應(yīng)用。

目前，1.8V 和 3.3V 穩(wěn)壓器均可直接向同伴微控制器或者無線發(fā)射器提供電力，無需增加元件。

在該器件中，升降壓轉(zhuǎn)換器通過提供 180 mV 至 8 V 的寬輸入電壓范圍，允許該器件連接至 TEG 或者室內(nèi)外太陽能收集模塊。平均工作能效達到 90%，即使在低輸入功率水平下也能實現(xiàn)電池快速充電，而最小僅 90% 的 MPPT 精確度又能保證最大限度地從太陽或 TEG 源吸取能量。 此外，集成電池充電控制器采用高精度欠壓和充電完成閾值，并通過提供安全控制邏輯來防止過度充電，最終延長電池壽命。

壓電式心臟電源

壓電式晶體是一種與眾不同的技術(shù)，正被用來向能保持心臟正常工作的心臟起搏器提供電力。

從人工電子耳蝸到可植入除顫器，人們已經(jīng)開發(fā)出用于在人體內(nèi)執(zhí)行許多功能的電子器件。 現(xiàn)在，這些器件幾乎都是依靠一些電力會最終耗盡的電池供電。 對于心臟起搏器來說，電池供電壽命為 6 到 10 年。 更換電池時不可避免地要進行手術(shù)，且風(fēng)險大、費用高。

現(xiàn)在，美國和中國的研究人員已開發(fā)出一種能夠利用人體自然運動收集能量的柔性壓電式植入物。 該研究團隊希望這類器件有一天能向不同的醫(yī)療植入物提供電力。 在牛和羊身上進行的試驗表明，他們的器件已能利用這些動物的心跳收集足夠的能量，向現(xiàn)代心臟起搏器供電。

圖 3：心臟起搏器的壓電式發(fā)電站。

從原理上講，能夠發(fā)電的器件可以永久工作。 人體內(nèi)最明顯的能量源是一些有器官的規(guī)律運動，如心臟、肺或隔膜。 不過，對機械式能量收集器的要求極其嚴苛——能產(chǎn)生足夠的電力向植入物供電，但不能干擾人體的自然運動。 能量收集器固定在心臟上時這一問題將尤為重要，因為從心臟外部施加壓力會導(dǎo)致心跳異常，這就是通常需要通過植入心臟起搏器來應(yīng)對的情況。

由 John Rogers 領(lǐng)導(dǎo)的美國伊利諾伊斯大學(xué)研究小組開發(fā)出一種能夠收集心跳機械能的柔性壓電式補片。 這種植入物包括由 500 nm 厚鋯鈦酸鉛 （PZT） 扁帶制成的薄膜，且周圍環(huán)繞金和鉑金電極。 PZT 是一種壓電材料，也就是說彎曲時其兩端會產(chǎn)生電壓。 這個輸出用于向集成到設(shè)備中的微型電池充電，且所有這些材料和設(shè)備同時密封在一層聚酰亞胺材料中，以達到生物相容性要求。

研究人員嘗試將這些補片按照不同方向縫到處于麻醉狀態(tài)的牛和羊的心臟上。 這些器件產(chǎn)生的電壓與理論預(yù)測值幾乎完全一致，且植入物沒有對心臟的自然跳動產(chǎn)生明顯干擾。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)把這些補片按照最佳方向縫到右心室時，產(chǎn)生的電能可達 0.18 μW/cm2。 最新的心臟起搏器最低最低可在 0.3 μW 功率下工作，該研究團隊通過將多個壓電層疊加來產(chǎn)生這一功率。 該團隊現(xiàn)在已獲道德委員會批準，可以將這種補片留在這些動物體內(nèi)并將其喚醒，允許他們在數(shù)月甚至數(shù)年內(nèi)監(jiān)視這些動物的活動情況，以檢查這些器件是否持續(xù)正常工作并對受試動物造成不利影響。 這樣做旨在使心臟起搏器工作十年以上，但對生物相容性則是一個挑戰(zhàn)。

壓電式能量收集技術(shù)已經(jīng)有象 Midé Volture V21BL 這樣的器件運用到工業(yè)應(yīng)用中。 晶體會與振動的物體產(chǎn)生共振，產(chǎn)生足夠的電流后向傳感器供電。 大幅減小這類器件（包括電源管理器件）的體積并使其與人體組織相容，是研究人員正在攻克的一大難題。

咔噠動作向無線鏈路供電

在稍大規(guī)模上，德國能量收集專業(yè)公司 EnOcean 開發(fā)出一種低成本能量收集開關(guān)，例如該公司的 Dolphin 系統(tǒng)，可向一個 2.4 GHz 無線鏈路供電。

圖 4：EnOcean 的 Dolphin 能量收集無線開發(fā)系統(tǒng)。

一方面，這種 2.4 GHz 演示器包括一個低成本能量收集雙通道開關(guān)和一個用于向該開關(guān)發(fā)出指令的 NFC（近場通訊）無線電芯片，其中，雙通道開關(guān)集成了一個 2.4 GHz RF 芯片，用于與傳感器節(jié)點通訊。 而在該演示器的另一端，則是一塊具有 LED 和控制電子器件的電路板，在按下開關(guān)時接收“啟動/關(guān)斷”信息。

在 EnOcean 的機電式能量收集轉(zhuǎn)換器的控制下，按壓按鈕產(chǎn)生的壓力被轉(zhuǎn)換為生成無線信號所需的充足電能，從而實現(xiàn)了沒有電纜和電池也能進行數(shù)據(jù)通信。 該原型也通過智能手機將發(fā)射器功能與接收器配對。 這為系統(tǒng)開發(fā)人員和用戶提供了許多在網(wǎng)絡(luò)中集成無電池元件的新方法。

利用 NFC 芯片，安裝人員，甚至是客戶也能通過任何支持 NFC 的智能手機配置該開關(guān)。 由于該開關(guān)不需要任何接線且范圍達到 3 km，因此在許多家庭自動化或工業(yè)應(yīng)用中都能看到這些器件的身影。 目前，這項研究僅用來說明一個簡單的成品能量收集開關(guān)可以在免牌照 ISM 頻段中向無線鏈路提供電力。

EnOcean 還開發(fā)出一種基于 Linux 且?guī)в袔斓闹虚g件，用于解析其所有低功耗無線電協(xié)議，然后將任何傳感器信息從邏輯電平轉(zhuǎn)換為 IP 電平，以使其它設(shè)備、服務(wù)器，甚至云服務(wù)都可以處理這些信息。 這只是該公司利用這些能量收集技術(shù)向支持大量 RF 協(xié)議方面深入拓展的一部分。 該公司針對 MiOS 市場推出一種插入式器件，以利用 EnOcean 的自供電開關(guān)和傳感器控制 Z-Wave? 收發(fā)器，如 ZM5202。

圖 5：Z-Wave ZM5202 無線收發(fā)器現(xiàn)在可由 EnOceancan 的能量收集器供電。

這種新型插入式器件在成熟的 EnOcean 樓宇無線自動化標準與民用 Z-Wave 無線產(chǎn)品之間架起了一座橋梁。 這意味著，Z-Wave 開發(fā)人員現(xiàn)在能夠從物理到太陽能和熱生成方面利用 EnOcean 能量收集技術(shù)。 此外，還允許 Z-Wave 開發(fā)人員有機會接觸到 EnOcean 聯(lián)盟成員的各種資源。該聯(lián)盟目前包括全球 350 家公司。

總結(jié)

諸如 EnOcean 之類公司在減少功率要求方面所展示的成果，正推動新型能量收集技術(shù)的研究。 通過一連串微型風(fēng)機用風(fēng)力為手機發(fā)電，盡管這種想法聽起來有些怪異，但它說明了主流 MEMS 技術(shù)能用到新型發(fā)電方法中。 這會影響電源管理芯片及子系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)，象來自 STMicroelectronics 的新型器件組合在一起可通過寬輸入范圍支持不同的能量收集技術(shù)。 正如 EnOcean 所展示的那樣，這些能量收集技術(shù)現(xiàn)在可以鏈接到現(xiàn)有的無線技術(shù)，如 Sigma Designs 的 Z-Wave，從而進入已有的成熟市場。 無論是針對家庭、工業(yè)應(yīng)用，還是針對醫(yī)療應(yīng)用開發(fā)超低功耗系統(tǒng)，設(shè)計人員都有大量無需電池的供電器件選擇。