充分利用几毫瓦电能在要求实现基础设计方法革命性创新的同时，也将我们带入了“永续”电子设备的新时代

作者：Patrick Chapman，伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校 (University of Illinois at Urbana-Champaign)；Murugavel Raju，德州仪器 (TI)

假如要为手持终端、便携式设备以及距离插座数英里之遥的固定设备供电，是否还有比电池更好的解决方案呢？

这一问题的答案始终取决于应用技术的发展。但是，从环境中提取未利用能源的能源采集技术正日益成为各种应用领域中有力的竞争方案。在过去几年里，能源采集技术已走出实验室，来到设计工程师的工作台。在短期内，虽然能源采集技术还不会完全替代所有应用领域的电池，但其已显现出众多优势，如传感器可无需更换电池或维护持续数年运行；低能耗、绿色环保；以及能为最终用户带来长期的低成本效益。

几十年来，在世界能源构成中，凭借风能与太阳能发电场进行的大规模能源采集虽然所占份额较小，但一直处于增长态势。2007 年，全球光伏市场规模约为12亿美元，逆变器出货数量不足 50 万台。现在，从振动、温差、光及其它环境能源获取毫瓦级电能的微型采集器也正在走向商业应用。几毫瓦虽然微不足道，但非常适用于德州仪器 (TI) 等IC企业所开发的超低功耗技术产品。图 1 显著了大规模能源采集与微型能源采集之间的差异。

图 1. 大规模与微型能源采集的比较

能源采集以多种方式开辟了工程领域的新前景。此外，能源采集还要求工程师从能源角度出发修正自己的思维，特别是在能量管理设计的策略方面。虽然我们尚不能认为能源采集技术改写了电路设计中实现最佳能源效率的规则，但对于众多工程师而言，很多最佳的实践操作都与直觉相反。

基本因素：市场

从广义上讲，采集能源包括各种来源，比如动能（风、波、重力、振动等）、电磁能（光伏、电磁波 (antenna/rectanna) 等）、热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）、原子能（原子核能、放射性衰变等）或生物能（生物燃料、生物质能等）。

由于能源采集技术广泛而多样化，因而很少会有人试图估计整个市场的规模有多大，而且还有很多应用没有被发现。目前，人们对微型能源采集技术市场的考察一般倾向于该技术明确可替代电池的细分市场。

根据市场调研公司 Darnell Group 的统计数据，到 2012 年将有 2 亿个能源采集器与薄膜电池投入使用。汽车、家庭、工业、医疗、军事以及航天等领域的能源采集应用市场将从 2008 年的 1350 万套增长到 2013 年的 1.641 亿套。

要求远程节点自动运行数年的无线传感器网络成为首要的目标应用。根据其位置的不同，这些传感器节点可从光、振动或其它来源采集能量。比如，钟表、计算器以及蓝牙耳机等都是光伏电池应用的潜在领域。此外，精工公司的 Kinetic 牌手表采用了将运动能转换为电能的技术；Freeplay公司的 EyeMax 宽频无线电广播产品采用振动能为无线电系统供电。

从体热采集能量是最具吸引力的技术之一，精工公司的 Thermic 牌手表就是采用这种方案。可统计从简单的脉搏频率到 ECG 波等关键数据的新一代生物计量传感器甚至有可能以体热作为能源。

转换技术只是整个系统的一部分。典型的能源采集系统包括众多组件，如转换、薄膜电池中的暂存器、大量复杂的能源管理电路、模拟转换器以及超低功耗微处理器 (MCU)。至关重要的设计目标是将电源电路与应用电路相匹配，以实现最佳总体性能。只要设计人员确信采集技术将支持这种产品就能开发出相关应用。

基本因素：能源的获得

研究的初始阶段，必须估算能量的可获得性。图 2 中给出了四种环境微型收集来源可提供的每单元能量的大约数据。

图 2. 能源采集估算

下一步将评估可行系统 (viable system) 所能收集的能量。

• 由于采用大型太阳能电池板，太阳能光伏收集是一种高效率的收集技术。每 100 平方毫米光伏电池平均可产生大约 1 mW 的电能。一般能源效率约为 10%，容量比（平均所产生的电能对太阳持续照射时将产生电能的比率）约为 15% ～ 20%。
• 市场上出售的动能收集系统可产生毫瓦级的电能。能量很有可能通过一个振荡体（振动）而产生，但由压电电池或弹性体收集的静电能也属于动能范围。桥梁等建筑物以及众多工业与汽车结构可产生振动能。基本动能收集技术包括：(1) 一个弹簧上的物体；(2) 将线性运动转换为旋转运动的设备；(3) 压电电池。第 (1) 与第 (2) 项技术的优势是，电压不取决于电源本身，而取决于转换设计。静电转换可产生高达 1,000 V 或更高的电压。
• 热电收集技术利用了赛贝克 (Seebeck) 效应，即在两个金属或半导体之间存在温差的情况下而产生电压。热电发电机 (TEG) 由热并联与电串联的热电堆构成。最新型 TEG 在匹配负载下可产生 0.7V 输出电压，工程师在设计超低功耗应用时通常采用该电压。所产生的电能取决于 TEG 的大小、环境温度以及（当从人体收集热能时的）新陈代谢活动水平。
• 根据比利时研究机构 IMEC 公司的研究，在 22˚C 时，手表型 TEG 在正常活动中可产生平均 0.2 ～ 0.3 mW 的有用电能。一般情况下，一个 TEG 可持续为一个电池或超级电容器充电，但需要高级电源管理来优化性能。

上述三种主流微能量采集来源都有几个共同之处。他们都通常产生不稳定电压，而并非目前电子电路仍广泛使用的 3.3V 稳定电压。此外，这三种技术所提供的都是间断电源，甚至有时根本就不能提供电源。因此，设计工程师需要使用电源转换器与混合能源系统来解决这些问题。

电源管理

这才是真正值得探讨的问题。重要的边界条件是，目前所讨论的大多数微型采集器能源技术所产生的输入电压均小于 0.5V。这么小的输出电压很难启动电源转换器的电路。此外，二次损耗会对转换效率产生影响。

在大多数情况下（但非所有情况下），不可采用我们熟悉的线性稳压器拓扑结构，因为线性稳压器只能使电压降低，因而更适合使用开关稳压器。通过切断输入信号，开关稳压器可以控制其幅度和频率。同时，开关拓扑结构也会消耗很少的电能。但从另一方面讲，开关稳压器会使信号频谱发生改变，并导致频率干扰。由于需要滤波对输出进行控制，采用这种方案会导致成本的上升。

对于工程设计人员来说，能量采集技术实现的设计环境与以往有很大不同。在传统的电源管理应用中，最节能的方法是采用高输入电压来启动，以便在小电流和低电能消耗的条件下完成转换。

然而，能量采集应用中输入电压一般比较低，因此设计工程师所面临的环境恰恰相反。在输入电压较低的情况下，若目标输出电源能确定，则要求电源管理电路在较大电流下运行。大电流导致电源转换器的尺寸增大，从而更难提高系统效率。

在输入电压不稳定且较低的情况下，实现低成本和低能耗滤波的基本方法有几种。当然，选择哪种方法需要权衡利弊。比如，采用较大的开关可以减少电阻损耗，但更大的开关会要求更大的开启电源，不过该开关可能无法提供。再比如，通过降低开关频率可以提高效率，但这要求使用较大的滤波器。

设计人员应记住的最重要的一点是，对于仅能产生几毫瓦功率的系统来说，管理电源所消耗的开销可能等于甚至大于系统所产生的。通常，像给MOSFET 栅极电容充电这样简单的任务可能消耗大量的电能。

在上述这些情况下，可以考虑使用电流源栅极充电，而不是电压源栅极冲电。这种方案的结果是，电路将变得更加复杂，但电能损耗和电路泄漏将得到更好的控制。

另外，也可以考虑使用一个以上的电源转换器。图 3 中所示的同步整流器电路虽不能提供稳定的电源，但它是对向另一个效率更高的电源转换器定期发送高功率猝发的电容进行充电的良好解决方案。另一个转换器负责处理应用电路所需的信号调节。

图 3. 同步整流器电路

在一些应用中，另一种栅极电荷操作（即使用电压源栅极电荷电路）可极大提高效率。这种方法可将电路中的几个晶体管从小到大进行排列（如图 4 所示）。

伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的电路也可以自动检测功耗，同时可采用适当尺寸和数量的晶体管来保持高效率。较高值的晶体管可用于高功率情况下使用。当系统以待机功率水平运行时，可采用较小的晶体管。图 4 中插入的图表显示了这种方案相对于不按晶体管尺寸优化方案的优势。

图 4. 晶体管宽度转换

在实施上述方案时应记住，设计最高效的转换器可产生最多能量的传统功率转换方式并不总是适用于微型能量采集。应将对整个系统的能量输出进行优化作为追求的目标。有时，这意味着设计方案并不以系统各部分均达到最高效率为目标。

对 IC 的判定选择

设计人员必须清楚其选择 IC 技术的含义。至少在潜意识中，每个人都意识到高级技术节点能生产出更高效率的半导体器件。在常规电路设计中，常常会忽视这种差别，因为亚微米器件的成本优势被认为超过其效率所带来的优势。再次重申，微型能量采集应用改变了规则。

比如，对于早期能量采集应用而言，伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的小型电源转换器通过采用 1.5 μm 工艺和 8 μm 电感器构建的 IC 可实现 53% 的效率。在考虑如何改进转换器时，对于采用不同工艺技术和电感器尺寸的各种组合可能达到的不同效率，设计小组进行了计算。

图 5 显示了计算结果。根据计算，最先进的技术组合（采用铜互连技术的 0.25 μm 工艺技术与 25 μm 感应器）可实现 81% 的效率。此外，图 5 中也显示了在哪些地方可避免损耗。

图 5. 高级 IC 可显著提升效率

应用的其它部分也需要采用高级技术的 IC，包括 MCU。例如，TI 的超低功耗MSP430 MCU 平台就是一个很好的例子，处于工作状态时其功耗仅为 160 微安／MHz，在待机状态下功耗还不足 500 纳安。此外，TI 提供的器件还可在紧凑的单芯片设计中将 TI 超低功耗 MCU 与高度灵活的射频 (RF) 收发器结合在一起，以实施无需线缆或电池即能检测并报告工厂、汽车、办公室、家庭以及其它环境中紧急情况的环境感知智能。例如，AdaptivEnergy 的免电池 Joule-Thief™ 技术与完美结合了 TI MSP430 微处理器、RF 以及 eZ430-RF2500 开发套件，可实现多领域环境智能。图 6 给出了 Joule-Thief 系统方框图。

图 6. Joule-Thief 方框图

实现微观层面的能量采集以及最大限度节能为工程师提供了新的发展空间，同时也提出了众多严峻挑战。战胜这些挑战将带来诸多益处，其中包括可进一步开发永续电子设备、降低系统生命周期成本以及减少产品的环境影响等。令人振奋的是，现在工具已准备就绪，可随时启动开发工作。

参考文献

“利用 CMOS 晶体管的脉宽调制 (Width-switching) 方案提高轻负载效率”，作者：S. Musunuri, P.L. Chapman，摘自“IEEE 电力电子快报”第 3 卷第 3 号的第 105-110 页，日期 2005 年 9 月；

“针对低功耗DC－DC转换器应用优化高宽 (High-width) CMOS晶体管”，作者：S. Musunuri, P.L. Chapman，摘自“2005 年 IEEE 电力电子专家会议”资料的第 2151-2157 页，日期：2005 年 6 月；

“生物力学能量采集设备的设计与优化”，作者：P. Niu, P.L. Chapman、L. DiBerardino 及 E.T. Hsiao-Weckler，摘自在希腊罗得岛举办的“2008 年 IEEE 电力电子专家会议”资料；

“Human++：从技术到新兴的健康监测理念”，作者：J. Penders、B. Gyselinckx 及 R. Vullers et. al.，摘自由 IMEC vzw 出版的白皮书，日期：2008 年 4 月 http://www2.imec.be/imec_sites/objects/7be71c7cb514f2be8c963ae242994a9a/human___white_paper_jp042008.pdf