身体区域网络的能量收集解决方案

随着低功耗个人电子设备的普及，对人体动能，体温，外部射频甚至内部生化源清除能量的兴趣不断增加。设计由生物源驱动的合适装置在选择合适的能量换能器和提取最大能量方面提出了重大挑战。在创建这些设计时，工程师可以利用制造商的传感器和节能IC，包括CUI，Cymbet，Linear Technology，Measurement Specialties和Mide Technology等。

体域网络

对于消费者而言，体域网络的承诺（BAN，图1）提供了健康综合视图;对于设备制造商而言，BAN代表了新类设备的重要机遇。与此同时，众多嵌入式设备的成功部署取决于它们能够在没有充电的情况下一次运行数月，甚至根本不需要再充电或更换电池。

图1：在体域网（BAN）中，由能量收集驱动的嵌入式传感器监测关键的健康和健身因素，为医疗服务提供者提供广泛而深刻的健康状况（图片由IMEC提供）。

因此，对扩展操作的需求促使人们越来越关注捕获正常人类活动（如行走和呼吸）产生的未使用电力。除了这些以消费者为导向的驱动因素之外，对能源采集的兴趣在医疗领域迅速增长。消除或阻止电池更换的能力还有助于确保其他关键应用（如血糖监测仪和ECG监护仪）的始终在线操作和患者依从性。

能量收集解决方案还可以直接促进患者安全。由环境能量驱动的可植入装置不仅减小了植入患者体内的包装的尺寸，而且还降低了与电池更换相关的成本和风险，其目前必须每6到10年进行一次外科手术。通过无电池操作提供的植入式心脏起搏器的尺寸减小也使得能够实现更具创新性的医疗解决方案，例如消除心脏探测器以及将起搏器附接到左心室的能力，这尤其易于传统起搏器的风险。

事实上，心脏起搏器和心肺装置通常非常适合能量采集，因为可用的环境能源范围包括心肌运动，血流量和温差。除了设计用于收获与心肌收缩相关的动能的装置外，其他解决方案也希望利用血流的能量。退伍军人事务部开发了一种动脉袖套能量采集器，旨在为各种植入设备提供动力，以持续监测疾病，心脏功能，动脉瘤和糖尿病。使用压电传感器，收割机环绕动脉并通过动脉壁的膨胀和收缩产生动力。

虽然生物能源采集导致了比消费者或工业应用中更多的新颖解决方案，但这种收割机的性质遵循一种熟悉的模式。与传统收割机一样，生物资源能量收集设计将环境能源电源与MCU和无线电，或支持预期应用所需的其他通信子系统相结合（图2）。

图2：用于体域网（BAN）应用的典型传感器将生物源能量采集器（顶行）与应用电路（底行）结合，用于采集，处理数据并将数据传输到其他BAN设备（由德州仪器提供） ）。

电力需求和资源

除了更复杂的医疗应用，如心脏起搏器或心脏同步器，旨在从生物源获取能量的设备通常具有非常低的功率要求。简单的心率监测器可能只需要支持100个样本/秒。在10位分辨率下，1 kbps数据速率将允许使用超低发射器功率将数据传输到主机或本地数据集中器。如果发射机功率以近距离通信所需的最低水平运行，则这种设备的总功耗可能只有几微瓦。

对于生物能源采集，能量传感器将包括机械传感器，温度传感器，甚至燃料电池设计。此外，工程师正在使用磁耦合谐振器用于无线电源，能够为植入的能量存储设备（如薄膜电池）充电。

在可用的资源中，运动或振动形式的动能通常是最通用和普遍存在的环境能源。研究表明，一只脚的脚跟在坚硬的表面上可以获得高达1 W的能量。其他研究发现，即使是由人类心跳引起的运动也可能产生10微瓦的功率，远高于起搏器的标称功率要求。

在动力学采集应用中，合适的传感器包括压电设备，如Mide Technology Volture系列中的V22BL，或Measurement Specialties LDT系列中的LDTO-028K。使用这些装置，由于肌肉运动导致的相对较小的偏转可以产生显着的电压输出（图3）。压电器件在其谐振频率下产生最大能量输出，工程师可以通过在典型压电器件的悬臂上增加质量来改变。诸如Measurement Specialties LDTM-028K之类的可用设备配备有用于修改谐振频率的小型可移动质量元件。

图3：诸如Measurement Specialties LDTO-028K之类的压电器件产生显着的电压输出，其中压电膜的偏转相对较小，通常夹在涂层之间（Courtesy of Measurement Specialties）。

工程师还可以通过利用塞贝克效应来获取大量能量，使用热电传感器从人类表皮和周围空气之间的温度梯度产生能量。 CUI CP60系列中的CP60240等设备即使在很小的温差和负载下也能产生毫瓦的功率（图4）。

图4：诸如CUI CP60240之类的热电装置可以利用人体与周围环境之间的温度梯度，在典型的能量收集应用的小负载下产生毫瓦功率（CUI提供）。

工程师可能很快就会发现从另一个来源获取环境能量的可用性，由体内葡萄糖或其他糖类驱动的微型燃料电池。葡萄糖燃料电池通常在两组中的一组中发现，酶催化和由非生物材料催化的那些。在任何一种情况下，装置都将葡萄糖氧化成葡萄糖酸，导致电子对的释放。虽然基于酶的燃料电池可能需要最终更换酶催化剂，但科学家已经创造了两种类型的燃料电池，其微波持续功率输出。

RF感应和超声波

虽然动能和热能收集代表了为BAN设备供电的最可能的来源，但公司可以采用更直接的方法为嵌入式应用中内置的存储设备充电。使用RF感应，工程师可以为包括植入设备在内的BAN设备充电。此外，即使对于使用与RFID标记和通信相同的方法的植入设备，RF感应的使用也将实现双向数据通信。

与人类一起使用时，RF感应技术需要仔细考虑暴露于RF能量的组织的特定吸收率（SAR）。对于1g或10g组织，以瓦/千克为单位测量的SAR值根据以下等式与偶然电场直接相关：

其中σ和ρ是电导率并且所涉及组织的密度，E | 2是入射电场的范数。

最大SAR值取决于国家法律，并取决于频率范围。 IEEE指南规定，对于任何10克手，腕，脚和脚踝组织，一般公众暴露的SAR限值为4 W/kg，对于任何1 g任何其他组织，均为1.6 W/kg。国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）规定，对于任何10克头部和躯干，一般公众暴露的SAR限值为2 W/kg，对于任何10 g肢体，为4 W/kg。

超声波也被用于将能量转移到植入设备。虽然功率传输效率低，但这种方法可以为植入设备提供毫瓦功率。使用低于1MHz的相对短的超声频率突发避免了局部加热效应，其形成高频治疗超声治疗的基础，同时提供足够的能量来为能量存储装置充电。

最大化输出

无论能源如何，从生物源获取有效能量的关键仍然是最大化传感器输出的关键。压电和热电传感器都是恒阻抗器件，反映了特有的电流 - 电压曲线（图5）。除了这种相似性之外，压电器件通常表现出10kΩ至100kΩ范围内的输出阻抗，其输出取决于其谐振频率，如前所述。另一方面，热电发电机表现出低得多的输出阻抗，通常小于500Ω。

图5：尽管在电气特性方面表现出显着差异，但压电和热电传感器是具有类似I-V曲线的恒阻抗装置（由Cymbet提供）。

对于这些设备，最大化功率输出意味着将传感器上的负载保持在其最大功率点（MPP）。在远离MPP的负载下操作导致来自换能器的功率显着降低，并且可用于直接对本地能量设备或负载充电。对于稳定的环境，MPP通常位于传感器开路电压值的一半。

更多异国能源如葡萄糖燃料电池可以根据成分和操作条件呈现出截然不同的曲线，类似于恒定阻抗源，在某些情况下具有钟形功率曲线并且类似于非线性源，例如具有高度非线性功率曲线的光伏电池。

在实践中，MPP是一种动态特性，取决于包括温度在内的运行条件。为了最大限度地提取功率，工程师可以使用专门用于能量采集应用的可用设备。诸如Cymbet CBC915能量处理器之类的设备提供了用于最大功率点跟踪（MPPT）的复杂算法，可持续评估传感器能量输出，并在输出电平开始下降时自动搜索新的MPP。 CBC915设计为能量收集的单芯片解决方案，它将MPPT功能与充电管理功能相结合，用于充电和保护薄膜存储设备，如Cymbet CBC050和Cymbet EnerChip™系列的其他成员。

虽然CBC915等设备支持动态MPPT，但其他设备允许工程师使用电阻器将传感器输出电压编程为固定电平。凌力尔特公司的LTC3105 DC/DC转换器专为热能收集应用而设计，允许工程师使用单个电阻器对MPP进行编程。反过来，器件动态调节平均电感电流，以防止输入电压降至低于MPPC阈值。

Linear还提供用于压电能量收集的LTC3588-1，集成了全波桥式整流器，能够在压电换能器的各种机械偏移范围内提取功率（图6）。 LTC3588-1专为直接与压电器件接口而设计，只需少量外部元件即可构建完整的电源。该器件对电压波形进行整流，将收集的能量存储在外部电容CSTORAGE上，并向负载提供稳压输出。

图6：专为压电能量采集而设计，凌力尔特公司的LTC3588-1具有全波桥式整流器和高效率DC/DC转换器，只需少量外部元件即可完成压电能量采集电源（由Linear Technology提供） ）。

摘要随着人们对体域网设备的兴趣和需求的增长，电子产品制造商面临着减少或消除电池更换的同样不断增长的需求，同时确保日益复杂的应用的长期运行。为了满足这些相互矛盾的要求，系统设计人员可以利用与日常活动相关的各种动能和热能源。通过仔细关注传感器特性，工程师可以从这些环境源中提取足够的功率，为各种面向BAN的无电池设备供电。