为可穿戴系统供电的PAN能量收集技术

低功率硅器件的开发为能量收集提供了机会，以提供大部分（如果不是全部）连接器身周围设备的能力。这些“个人区域网络”（PAN）可以通过身体的运动或散热来利用新一代超低功耗无线硅收发器连接身体周围的设备。

能量收获元件 - 无论是移动还是热能 - 最常用于为柔性聚合物电池充电，以便为无线链路提供电力。当仅发送少量数据时，这最有效，例如提供位置或医疗信息的更新，而不是身体周围的流媒体音乐或视频的更高能量负荷。这种较小的工作周期更适合于通过能量收集产生的较低功率。

正在开发几种利用身体运动的不同技术。用于PAN的一种成熟的能量收集技术是压电振动传感器，其可用于捕获振动能量。这尤其与鞋类，特别是训练鞋有关，其中恒定运动产生电流以为无线链路供电。这已经在耐克的“智能”鞋中实现，它提供了一个回到手机或可穿戴终端的链接，提供了诸如足迹数或平均速度等数据。

大学的研究人员威斯康星 - 麦迪逊开发了一种鞋内系统，可以收集行走所产生的能量，声称能耗近20瓦。这一过程被研究人员称为“反向电润湿”，通过微流体装置将运动转化为电能，其中数千个微滴（未公开的无毒，廉价液体）与纳米结构基质相互作用。据称该过程的功率密度高达每平方米一千瓦。这为密封电池供电，为网络链路供电。

比利时IMEC的研究人员采用了一种不同的方法，他们在金属电极之间开发了一种带有压电氮化铝层的微机械悬臂。这形成了一个电容器，当悬臂杆振动时会产生电荷，从而产生电能。然后可以收获电容器两端的电压以驱动无线电路。这种方法的一个关键优势是MEMS器件可以构建在标准的6英寸CMOS晶片上。这提供了与无线收发器一起集成的潜力，可以直接或通过在服装周围分配电力。

MidéTechnologyV22BL悬臂压电晶体可用于从低至26 Hz的振动源获取能量。然而，必须充分理解振动环境，并且这对于诸如鞋或行走者之类的系统来说可能是困难的，因此最好的方法是使用加速度计测量振动。一旦捕获了数据，快速傅立叶变换（FFT）就会提取频率信息。 Midé提供独立的振动表征设备，可轻松安装到许多不同的振动环境中，以捕获难以到达区域的数据。内置计时器可以捕获许多不同类型的振动，简单的USB接口允许设计人员/用户轻松表征任何振动。这也有助于确保晶体不会受到过度振动，从而损坏器件并缩短其使用寿命。

图1：MidéTechnologyV22BL悬臂压电晶体。

收获能量不仅仅与传感器有关。功率转换也很重要，特别是在身体周围。凌力尔特公司已将低损耗全波桥式整流器与高效降压转换器集成在一起，该转换器针对此类高输出阻抗能源进行了优化。 LTC3588-2是一款超低静态电流欠压锁定（UVLO）模式，具有16 V上升阈值，可从具有高开路电压的压电传感器中有效提取能量。

新西兰的研究人员还开发了一类称为“介电弹性体发生器”（DEG）的可变电容器发生器，可用于为体网络供电。弹性体的使用以前受限于对庞大，刚性和昂贵的外部电路的需求，但奥克兰生物工程研究所的仿生学实验室的研究人员开发了一种柔性，柔软的介电弹性体发生器，其可拉伸的电路元件集成在膜内。该发电机的能量密度为10 mJ/g，效率为12％，简单地由低成本的丙烯酸膜和安装在框架中的碳脂组成，使其更易于用于衣服为网络链路供电。

热功率

热传感器也可用于身体周围，通过温差产生电能。珀耳帖效应通常用于冷却电子系统，但也可用于从衣服内部和外部之间的温度梯度产生电流。这可用于涓流供电或直接为无线链路供电。

利用德州仪器的MSP430微控制器和灵活的热电薄膜技术，可以演示热电网络电子电子设备。这些被集成到与无线传感器设备相连的臂带中，这些设备仅使用佩戴者的体热作为主要能量来收集和传输生理数据。

MSP430是一款具有16位RISC的超低功耗控制器对应用程序高度透明的体系结构。除了程序流指令之外的所有操作都作为寄存器操作与源操作数的七种寻址模式和目标操作数的四种寻址模式一起执行。 CPU集成了16个寄存器，可缩短指令执行时间，使寄存器到寄存器的操作执行时间为CPU时钟的一个周期。这与低功率铁电存储器相结合，提供了非常低的能量消耗，使其能够由热电膜供电。在工作模式下，它在1 MHz和2.2 V时使用220μA，而在待机状态下仅使用0.5μA。待机模式下的超快速唤醒仅需1μs，因此只需在捕获传感器数据并将其发送到变送器时，控制器就可以关闭并上电。

这凸显了医疗系统越来越多地使用能量收集，监测身体心脏和其他器官的关键驱动因素。

图2：TI MSP430F20x1的功能框图。

Cymbet CBC-EVAL-09热评估板提供了一个Peltier效应器件来驱动无线链路，集成了提供电源所需的DC/DC转换器。同样，EnOcean的EDK312C评估套件也使用热能为无线链路供电。

对于标准的低成本Peltier元件，这些器件的工作温度典型值为20 mV，温差为2 Kelvin。输出功率在μW至mW的范围内，并取决于Peltier元件的实际温差。开发套件中的ECT 310经过精心设计和优化，可为无线传感器的EnOcean无线电模块供电，其输入电压范围为20 mV至50 mV，输出电压范围为3 V至4 V.

典型的热驱动传感器由传感器元件，小型Peltier元件，ECT 310 DC/DC转换器和EnOcean STM 300或STM 312无线电模块组成，这些无线电模块已经具有储能功能。

图3：EnOcean热能收集评估套件。

太阳能

太阳能电池也可以成为可穿戴电子产品的主要供电商。由于许多手表已经由太阳能电池供电，因此其想法正在扩展到为无线设备供电。 EnOcean的ECS300太阳能电池也可以与EDK312C评估套件一起用作电源。

太阳能电池技术变得更加灵活，可以让电池更容易地集成到外套等外套中。电池的效率也提高了，因此它们可以从室内和室内照明产生电力，从而提高其使用率。虽然它们可以直接用于为设备供电，但更常见的途径是使用它们来涓流充电锂离子电池，这些电池既轻便又可以集成到衣服中。这为显示器和音乐播放器提供了动力，为LED和电致发光显示器提供了电源。

Infinite Power Solutions的IPS-EVAL-EH-01评估板还展示了通用能量收集，高效的能量存储和超低功率输出调节，为使用太阳能电池开发自主供电的车身电子设备而设计的方便外形。

图4： IPS能量收集评估板。

收获的能量存储在集成的固态可充电薄膜微能量电池（MEC）中。 MEC，也称为固态电池（SSB），能够在不需要更换电池的情况下使用应用的整个生命周期，并使深度嵌入式应用能够自动运行和免维护数十年，提供最低的成本 - 低功耗微电子系统的所有权电源解决方案。

此外，IPS-EVAL-EH-01采用Maxim MAX17710能量收集电源管理IC（PMIC）来处理调节不良，高度可变的输入。能源收集来源，如太阳能，射频，热能或振动，以及三洋能源的非晶硅太阳能。 Amorton太阳能技术使用非晶硅，使电池在给定功率输出下更薄。这意味着可以生产小于1μm的超薄非晶硅膜并用于发电。通过使用塑料基材，可以使这种薄膜具有柔韧性。

这种自充电，自动调节平台提供了一个示例能量收集和储能系统，旨在为小型微电子设备供电，例如远程无线传感器，无需维护就需要自动或永久供电的能源。

图5：MAX17710 PMIC的简化电路图。

集成的独特“非活动”事件驱动激活系统可在目标系统活动期间实现1 nA的静态电流，并在必要时提供外部AC或DC能源输入。这些输入能量源可以连接到IPS-EVAL-EH-01，为集成MEC提供电荷。此外，用户或连接的目标系统可以从1.8 V，2.3 V和3.3 V三种可用选项中选择所需的稳压输出电压。

系统可以在三种功率模式下工作：高功率调节，低功率调节和非激活模式。在高功率调节模式下，系统静态电流远低于1μA，输出调节电压严格控制，适合全功率系统运行。在低功耗调节模式下，静态电流通常低于75 nA，输出调节不太严格，适用于实时时钟，低功耗处理器睡眠状态和存储器备份条件。在非激活模式下，目标系统与集成的储能设备完全隔离，仅使用1 nA的静态漏极。在这种状态下，系统可以接受输入充电能量，并且可以响应输入事件，允许系统唤醒全功率并在重要输入事件上运行。

IXYS提供IXOLAR SolarMD为各种电池供电和手持设备充电诸如移动电话，照相机，音乐播放器和玩具等消费产品可以为身体周围的网络提供动力。 22％的典型电池效率允许电池在低光照条件下发电，并在较小的占地面积内延长电池寿命和运行时间。

克莱尔提供了一种不同的方法，带有一串带切换的太阳能电池电路。当在阳光或明亮的人造光环境中操作时，光能将激活单元阵列并在输出处产生电压。 CPC1822的太阳能电池产生的浮动电源电压和电流足以驱动和驱动CMOS IC，逻辑门，或为电池提供涓流充电。

结论

有几种不同的能量收集源可用于直接为网络设备供电或为薄膜存储设备充电以处理无线链路。利用车身的振动或运动，局部热量或太阳能为开发不需要更换电池或定期从主电源重新充电的系统提供了广泛的选择。

虽然这些技术首先在医疗应用中被采用，以提供对身体周围数据的监控并将其链接回中央数据采集系统，但该技术正在进入每天可穿戴系统。开发用于捕获能量的新材料和技术，例如热电或弹性体薄膜，再加上TI MSP430系列等超低功耗硅控制器和低功耗无线链路，正在制造自供电个人局域网实际的现实。