TI开拓新领域 能源采集方案露头角 - 全文

　　本文作者：
　　德州仪器 (TI) 首席专家Gene Frantz
　　德州仪器 (TI)电源产品解决方案首席技术专家Dave Freeman
　　德州仪器 (TI)电池管理解决方案产品与业务开发经理Chris Link

　　引言

　　超低功耗 （ULP） 技术为我们带来大量的新型应用，这些应用可收集微量级的自然能，并且维护工作很少甚至是不需要维护——它们是一些具有自持力的器件，能够永久或者说近乎永久地工作。这些新型系统现在正在工业和消费类电子设备中不断涌现，并将给医疗与保康行业带来巨大的变化。作为ULP技术和产品领域的领导者，TI 在这些新型系统的实施方面扮演着重要的角色，它把我们带入一个全新的能源采集领域。

　　TI技术为永久运行器件开拓出新的天地

　　直到最近，微能源采集（即收集极微少的自然能来为一些电子系统供电）理念仍然还只是一个梦想，仅仅是一些研究建议和实验室试验。今天，越来越多的系统开始利用光、震动和其他先前被我们浪费掉的自然能，用于为那些电线布线和电池维护不便的应用供电。在工业领域，传感器收集远程设备和危险处理工艺的相关信息；在消费类电子设备领域，看重的是移动性和便利性；而在医疗系统方面，对修复和无创监控有特殊的要求。正因如此，能源采集技术正迅速地进入到这些新型应用中。

　　随着自供电、低维护系统的发展，我们不禁要问它们何时才能实现完全的自持力呢。换句话说，我们距离实现永久工作、免维护设备的目标还有多远？答案是，在一些情况下，永久工作的设备已经在使用之中。早在20世纪70年代，TI和其他公司都曾推出过一种手持式计算器，它使用小型太阳能板来供电。这些信用卡大小的计算器系统，现在仍然随处可见，它帮助人们计算小费和杂货店的账单。在淘汰速度极快的消费类电子产品领域，30年的使用时间肯定算得上是永久工作性设备了。

　　自供电计算器的使用者需要有光线才能看清键盘和显示器，而计算器正是利用光来产生自己需要的电，因此，在许多情况下，自然能和应用之间形成了一种共生关系，这也就让我们可以有机会实现能源采集。但是，尽管计算器只需显示其结果，而其他系统可能要求把数据或者信息通过网络进行传输。更为典型的新型能源采集应用是那些在用的无以计数的通信传感器和监视器，它们使用电池供电，可以在无需维护的情况下工作数年之久。这些器件可以看作是亚永久性设备，尽管世界上有大量的这种设备，但是它们只是一个开始。

　　在非常短的时间内，大量的能源采集设备将会出现在我们的家里、办公室里、工厂里、公路上、医院里甚至是人的身体里。这些自然能供电的电子设备，仅要求最少甚至不要求维护，它们将与其他系统进行通信，有时甚至会连接网络“云”。对于那些创造这些系统的设计人员来说，不仅仅面对一些熟悉的问题，例如：性能和功率要求与成本之间的平衡，同时还会面对如何平衡使用率与能源可用情况的问题。另外，还存在想象力的问题：当落成桌面上的一缕阳光或者人在地板上走动产生的微弱震动都可以为您的设备供电时，您准备怎幺运用它呢？

　　TI正致力于开发实现能源采集系统的超低功耗（ULP）技术，同样也面临这些问题。TI产品已经广泛用于这些应用之中，并且公司的技术开发针对这个迅速增长领域未来的发展。随着新型应用的发展，它们将使用超低能源，而ULP的定义也将发生变化。今天的ULP产品，未来则可能会被看作是高耗能产品。另外，推动降低功耗要求，可以推动这些设备的更大规模部署，从而构建起一些更高密度的网络。随着工业和消费类市场在更广范围不断分发信息，TI正在研究通过什幺方式来让系统走过使用传统能源的阶段。实现永久性工作设备的道路在哪里？

　　新应用领域的要求

　　在不远的将来，在大多数情况下，能源采集系统（不管是永久性还是非永久性）都会成为网络上的永久性工作设备或者远程节点。具有电源线或者需要电池来实现机械功能的一些应用，不会迅速改变。但是，新型应用会在远离中央系统的地方传输信息和实现通信。使用电池或者电线的一些现有应用，也可能会转而使用能源采集，目的是节省成本和实现聚合。进一步讲，通过记录偏远地方发生的事件并向中央系统报告，或者作为一个数据传输开关，能源采集应用通常的作用是数据通信。这类应用，推动所谓的物联网发展，让其超越使用传统电源的电器，进入一些全新的领域（截止目前，几乎没有数据通信的领域）。

　　早期应用涵盖工业和消费类电子产品，而医疗系统是一个正在迅速兴起的领域。工业系统往往会长期运行，因此投资回报也是一个长期的过程。体积因素是一个很实际的问题，只有在其影响到产品功能性时才重要。工业环境下超微能源采集的重要性在于，它让一些小型系统特别是传感器可以安装在那些人员难以到达并且维护困难且昂贵的地方。最近，获得人们大量关注的一个应用是桥梁和建筑的结构检测。传感器可以记录应力或者材料变化，然后将数据发送给中央系统，中央系统利用这些数据来决定结构的安全性或者健康程度。工作在这种环境下的传感器利用压电收集器来采集震动应力本身产生的能源。在很短的时间内，这种能源可产生数百微焦的能量。在这些传感器中，所采集的能源驱动TI的ULP微控制器和发射器。另一种应用把传感器安装在一些危险的工业环境中。在这种环境中，维护所需的信息访问较少。如果这类环境下工作的传感器采集自然能，则需要工作人员冒险的机会大大减少，或者关闭某个处理工艺来维护设备机会也大大减少。

　　在消费类电子产品中，成本和体积因素至关重要，给在工业领域不要求的便利性带来了机会，或者也可以对现有便利性进行拓展。例如，许多消费类电子产品都有使用电池的遥控器，需要定期更换电池。这些系统是一些理想的改造对象，可以让其使用能源采集系统。但是，成本敏感性意味着，收集能源的设计必须在价格上与那些使用电池的设计进行竞争。一些无线家用和办公用设备同样也有这方面的需求，例如：太阳能计算机键盘和电子墨水显示器等。另外，随着家用和办公用设备的电费不断升高，负责管理室内环境的恒温器和其他传感器必须更高效，这样便可以安装在更多的位置，并移至更适合的地方。即使是普通灯光开关也有使用永久性设备的潜力：按下一个按钮，便可提供发送开启或者关闭灯光指令所需的能源。所有这些系统都是能源采集技术的潜在应用对象，这样便无需布线或者定期更换电池。

　　医疗系统为电子产品提供了一个新的应用领域，而自供电设备拥有相当大的优势（请参见表格）。今天，人们正在研究能够使用人体热能或者动能作为能源的心脏起搏器，这样便不再需要定期电池充电和/或为进行维护而做手术。起搏器使用的微能源采集还可用于其他植入设备，这些设备正被快速地开发出来，旨在增加人的听力和视力以及辅助假肢等。可穿戴或者植入型监控器也成为可能，或许可以作为一个身体网络实现无线通信，然后单个或者集体向外部系统发送信息，这些外部系统再把这种信息转发给健康专家。将来，这种身体监控器将会更加全面地照顾到我们每个家庭，或者不管患者走到哪里都能得到照看。

　　医疗应用功耗列表

　　表 1 医疗和保健为所有功耗级别的ULP技术提供了广泛的应用前景

　　这些例子表明，能源采集应用拥有巨大的发展前景，但在这之前我们需做深入思考。例如，设想一下，一个安装有芯片的咖啡杯通过热能工作，并会通知您的智能电话您的咖啡凉了或者您的咖啡少了。然后，您的电话会告诉最近的咖啡机准备好，或者提醒您添加咖啡。或许这种咖啡杯只是一个好玩的小礼物，就像那种当您打开时会唱歌的贺卡；但是，就像这些卡片一样，电子产品也可以有一些好玩的用法。同样，当您走路时您的鞋底可能正在收集能源，而在您踏上某条道路时您脚下的砖也可能会收集能源。您的鞋子可能会监控您脚的压力点，帮助找到最适合您走路的袜子。智能砖头用于监控行人的活动情况，控制交通信号灯甚至是街灯。这些可能看似琐碎无聊的例子，但反映的问题却是严肃的：用于制造自供电永久性设备的电路已经存在，而可用性和可购买性均不断增长。

　　TI的实现技术

　　技术的不断变化带来了能源采集的发展。网络云的出现，让它可以使之前非智能的大量设备实现大范围分布式信息采集、有效实现计算和通信。至于系统本身内部的技术，能源采集器必须能够收集自然能并存储它，然后以最为高效的方法利用它。

　　光转换板以及压电和热换能器的发展，正逐渐让高效收集微能源成为可能。例如，室内光伏采集器的收集效率有望增加一倍，200 lux条件下从每平方厘米10微瓦增加到20微瓦。电池的发展，让能源存储更有效，实现稳定的电压电源，而超级电容器可以高效地存储更多的能源，用于传输所需的高能脉冲。但是，最大的进步仍然是有源电子器件，技术创新让我们可以用更低的成本、更少的功耗做更多的事情。

　　在工业领域实现利用采集能源的ULP技术方面，TI发挥着领导作用。公司在为无线电话和其他移动系统提供组件方面具有悠久的历史，这让它拥有丰富的ULP设计经验。许多年以来，TI始终致力于推动数字信号处理器、微控制器、电源管理、信号转换以及其他处理与模拟电路ULP性能的提高。TI技术资源包括低功耗晶体管的使用、高集成度、增强型电路功效设计、软件和传输技术。

　　永久性电子设备的世界

　　用于能源采集系统时，TI的ULP系列产品提供一整套信号链产品，包括低功耗数据转换器、TMS320数字信号处理器以及MSP430微控制器，在16位器件中，拥有最低的功耗（请参见图1）。另外，在太阳能、运动能和热能采集系统中，电源管理IC（例如：超微功耗bq25504升压充电器）为电池和超级电容器提供优异的充电管理。bq25504中内置的功能包括最大功耗点追踪（MPPT），它对采集器的能源收集进行优化。这些产品和其他ULP产品，反映了TI长期致力于为实现移动性和高能源效率而不断进行低功耗设计创新的决心。

　　图1 能源采集要求为所有信号链和电源管理级使用超低功耗组件

　　尽管大规模太阳能、风能和潮汐能发电厂的发展吸引了公众的关注，但在我们的周围，进行微型自然能源采集的一些小型系统正在稳步增长。这些设备正迅速地拥有永久性或者近永久性工作的能力，它们在我们的家里、办公室、工厂、公路、医院甚至是人体内部的应用中，扮演着越来越重要的角色。能源收集和存储技术的发展推动这些应用的增长，但其最大的推动力却是超低功耗电子电路的快速发展。作为ULP技术的行业领导者，TI在推动处于萌芽状态的永久性工作设备的广泛使用方面，发挥着重要的作用。

——本文选自电子发烧友网3月份《电源技术特刊》"Change The World"栏目，转载请注明出处，违者必究！