新型能量收集技术在MESE领域的应用

新型能量收集技术不断挑战设计人员能够向系统供电的方式。 用于移动电话的微型风轮机和用于心脏起搏器的宽带热能收集技术正创造出全新的发电方法。 本文将介绍 MESE 领域的最新能量收集技术，以及设计人员如何收集产生的电能。 本文将重点讨论来自 Linear Technologies、STMicroelectronics 和 EnOcean 的器件。

随着传感器和无线链路的电能要求减弱，作为家庭、工厂车间甚至是人体内部的简易供电方法，能量收集器件的作用愈显重要。 这种情况一直在激励着各种公司和大学的研究人员，他们考虑利用一些极为吸人眼球的全新途径来实现能适应环境的不同发电方法。

这包括热电学——热生电——如美国能源部等机构正与宝马 （BMW）、通用 （GM） 联手，将发动机和尾气废热转换为电能，然后用于车辆的电气系统。 NASA 使用热电器件向火星车供电，这些器件与太阳能电池不同，工作时没有光线。 压电式能量收集器凭借体积小、能效高的特性引起了人们极大的兴趣。 市场研究公司 IDtechEx 称，到 2022 年，这四种能量收集形式在工业检测应用方面的市场份额将大致相同。 到 2024 年，能量收集设备的市场总额将攀升至 26 亿美元。

图 1：能量收集技术的市场发展情况。 来源：IDtechEx （2014.02）。

使用微型风车是一种极为新颖方法，这种器件所采用的技术与手机中实现最新加速计的技术相同。 来自美国德克萨斯州大学的一位研究助理兼电气工程教授设计出一种能产生风能的微型风车。据称，该器件可用于为手机电池充电。

图 2：能向手机供电的 MEMS 风车。

Smitha Rao 和 J.C. Chiao 教授设计和制造的器件，其最宽部分约 1.8 mm。 在手机套上可以看到数百个嵌入式风车，在空中晃动手机或者在有风天气手持手机对准打开的窗户时，由此产生的风会发电并由手机电池收集这种电能。

Rao 在微型机器人设备方面的工作最初吸引了一家***公司的注意，他们有兴趣将 Rao 和 Chiao 在创新设备设计和应用方面的奇妙想法运用到公司的微加工 （MEMS） 制造工艺上，这种工艺已在加速计方面实现了商业化。

Rao 的设计把折纸概念和传统的晶圆级半导体设备布局相结合，以使复杂的 3 D 可移动机械结构能利用已由铸造厂优化的平面多层电镀工艺——WinMEMS 技术——从二维金属件实现自装配。 微型风车之所以工作良好，是因为所用金属合金是柔性材料以及 Rao 的设计遵循了功能极简化主义。

微型风车于 2013 年 9 月在 Chiao 办公室顺利通过测试。 由于采用了耐用的镍合金以及智能化空气动力学设计，这种风车在人造强风环境下未出现任何材料断裂情况。 大多数 MEMS 设计人员面临的问题是材料易碎，但采用镍合金就能消除这一问题并使设备持久耐用。

Rao 说，这仅仅是第一步，因为可以采用批量工艺成系列地制造微型风车。 制造一个设备与在一个晶圆上制造数百或数千个设备的成本相同，因此可大批量生产成本极低的系统。

小尺寸意味着可以制造带有数千微型风车的扁平面板，并将其安装到房屋或者建筑墙壁上，为照明、安防或环境、无线通讯收集能量。

然而，无论是向手机充电，还是安装在房屋上，风车阵列将产生少量电流，而这可能会造成需要通过电源管理系统才能控制的显著变化。 尽管手机电池可用来消除一部分这种变化，但还是需要谨慎管理充电过程。 对于向房屋供电的大型阵列，这种变化更巨大。

诸如来自 Linear Technology 的 LTC3108 器件能利用极低输入电流提供稳定输出。 为能顺利实现该功能，风车阵列必须与电源管理设备的输入范围相匹配，而且这需要经过精心优化。 所需输入容差可能比现有的更小，并将影响下一代电源管理设备的设计。

STMicroelectronics 也在利用一种新型芯片开发能量收集应用，这种芯片集成了利用太阳能电池或热电发电机 （TEG） 向电子电路供电、向电池再充电所需的全部功能。 这种应用基于该公司的 SPV1020 单片 4 相交错式 DC-DC 转换器，该器件旨在使太阳能光伏板最大限度地产生电能，但不受温度和太阳照射影响。

利用嵌入式逻辑器件进行电能转换优化，逻辑器件在连接转换器的 PV 电池上执行 MPPT（最大功率点跟踪）算法。 在 PV 板的接线盒内可放置一个或多个转换器，以更换旁路二极管，并且，由于以本地方式计算最大功率点，因此系统级能效要高于在主要的集中式逆变器上进行 MPP 计算的传统拓扑结构。

SPV1050 已将这种能力扩展到 TEG 系统，可支持电源要求从几微瓦到数毫瓦的应用，且该器件同样适于利用太阳能或热能的室内外消费和工业类应用。

目前，1.8V 和 3.3V 稳压器均可直接向同伴微控制器或者无线发射器提供电力，无需增加元件。

在该器件中，升降压转换器通过提供 180 mV 至 8 V 的宽输入电压范围，允许该器件连接至 TEG 或者室内外太阳能收集模块。平均工作能效达到 90%，即使在低输入功率水平下也能实现电池快速充电，而最小仅 90% 的 MPPT 精确度又能保证最大限度地从太阳或 TEG 源吸取能量。 此外，集成电池充电控制器采用高精度欠压和充电完成阈值，并通过提供安全控制逻辑来防止过度充电，最终延长电池寿命。

压电式心脏电源

压电式晶体是一种与众不同的技术，正被用来向能保持心脏正常工作的心脏起搏器提供电力。

从人工电子耳蜗到可植入除颤器，人们已经开发出用于在人体内执行许多功能的电子器件。 现在，这些器件几乎都是依靠一些电力会最终耗尽的电池供电。 对于心脏起搏器来说，电池供电寿命为 6 到 10 年。 更换电池时不可避免地要进行手术，且风险大、费用高。

现在，美国和中国的研究人员已开发出一种能够利用人体自然运动收集能量的柔性压电式植入物。 该研究团队希望这类器件有一天能向不同的医疗植入物提供电力。 在牛和羊身上进行的试验表明，他们的器件已能利用这些动物的心跳收集足够的能量，向现代心脏起搏器供电。

图 3：心脏起搏器的压电式发电站。

从原理上讲，能够发电的器件可以永久工作。 人体内最明显的能量源是一些有器官的规律运动，如心脏、肺或隔膜。 不过，对机械式能量收集器的要求极其严苛——能产生足够的电力向植入物供电，但不能干扰人体的自然运动。 能量收集器固定在心脏上时这一问题将尤为重要，因为从心脏外部施加压力会导致心跳异常，这就是通常需要通过植入心脏起搏器来应对的情况。

由 John Rogers 领导的美国伊利诺伊斯大学研究小组开发出一种能够收集心跳机械能的柔性压电式补片。 这种植入物包括由 500 nm 厚锆钛酸铅 （PZT） 扁带制成的薄膜，且周围环绕金和铂金电极。 PZT 是一种压电材料，也就是说弯曲时其两端会产生电压。 这个输出用于向集成到设备中的微型电池充电，且所有这些材料和设备同时密封在一层聚酰亚胺材料中，以达到生物相容性要求。

研究人员尝试将这些补片按照不同方向缝到处于麻醉状态的牛和羊的心脏上。 这些器件产生的电压与理论预测值几乎完全一致，且植入物没有对心脏的自然跳动产生明显干扰。

他们发现，当把这些补片按照最佳方向缝到右心室时，产生的电能可达 0.18 μW/cm²。 最新的心脏起搏器最低最低可在 0.3 μW 功率下工作，该研究团队通过将多个压电层叠加来产生这一功率。 该团队现在已获道德委员会批准，可以将这种补片留在这些动物体内并将其唤醒，允许他们在数月甚至数年内监视这些动物的活动情况，以检查这些器件是否持续正常工作并对受试动物造成不利影响。 这样做旨在使心脏起搏器工作十年以上，但对生物相容性则是一个挑战。

压电式能量收集技术已经有象 Midé Volture V21BL 这样的器件运用到工业应用中。 晶体会与振动的物体产生共振，产生足够的电流后向传感器供电。 大幅减小这类器件（包括电源管理器件）的体积并使其与人体组织相容，是研究人员正在攻克的一大难题。

咔哒动作向无线链路供电

在稍大规模上，德国能量收集专业公司 EnOcean 开发出一种低成本能量收集开关，例如该公司的 Dolphin 系统，可向一个 2.4 GHz 无线链路供电。

图 4：EnOcean 的 Dolphin 能量收集无线开发系统。

一方面，这种 2.4 GHz 演示器包括一个低成本能量收集双通道开关和一个用于向该开关发出指令的 NFC（近场通讯）无线电芯片，其中，双通道开关集成了一个 2.4 GHz RF 芯片，用于与传感器节点通讯。 而在该演示器的另一端，则是一块具有 LED 和控制电子器件的电路板，在按下开关时接收“启动/关断”信息。

在 EnOcean 的机电式能量收集转换器的控制下，按压按钮产生的压力被转换为生成无线信号所需的充足电能，从而实现了没有电缆和电池也能进行数据通信。 该原型也通过智能手机将发射器功能与接收器配对。 这为系统开发人员和用户提供了许多在网络中集成无电池元件的新方法。

利用 NFC 芯片，安装人员，甚至是客户也能通过任何支持 NFC 的智能手机配置该开关。 由于该开关不需要任何接线且范围达到 3 km，因此在许多家庭自动化或工业应用中都能看到这些器件的身影。 目前，这项研究仅用来说明一个简单的成品能量收集开关可以在免牌照 ISM 频段中向无线链路提供电力。

EnOcean 还开发出一种基于 Linux 且带有库的中间件，用于解析其所有低功耗无线电协议，然后将任何传感器信息从逻辑电平转换为 IP 电平，以使其它设备、服务器，甚至云服务都可以处理这些信息。 这只是该公司利用这些能量收集技术向支持大量 RF 协议方面深入拓展的一部分。 该公司针对 MiOS 市场推出一种插入式器件，以利用 EnOcean 的自供电开关和传感器控制 Z-Wave® 收发器，如 ZM5202。

图 5：Z-Wave ZM5202 无线收发器现在可由 EnOceancan 的能量收集器供电。

这种新型插入式器件在成熟的 EnOcean 楼宇无线自动化标准与民用 Z-Wave 无线产品之间架起了一座桥梁。 这意味着，Z-Wave 开发人员现在能够从物理到太阳能和热生成方面利用 EnOcean 能量收集技术。 此外，还允许 Z-Wave 开发人员有机会接触到 EnOcean 联盟成员的各种资源。该联盟目前包括全球 350 家公司。

总结

诸如 EnOcean 之类公司在减少功率要求方面所展示的成果，正推动新型能量收集技术的研究。 通过一连串微型风机用风力为手机发电，尽管这种想法听起来有些怪异，但它说明了主流 MEMS 技术能用到新型发电方法中。 这会影响电源管理芯片及子系统的设计和开发，象来自 STMicroelectronics 的新型器件组合在一起可通过宽输入范围支持不同的能量收集技术。 正如 EnOcean 所展示的那样，这些能量收集技术现在可以链接到现有的无线技术，如 Sigma Designs 的 Z-Wave，从而进入已有的成熟市场。 无论是针对家庭、工业应用，还是针对医疗应用开发超低功耗系统，设计人员都有大量无需电池的供电器件选择。