能量采集渐近自供电不再是梦？

通过能量采集技术撷取太阳能、振动能、热能、射频（RF）所产生的“免费”能源，如今不再是“天方夜谭”。虽然其现在还没有得到大规模商用，但已经取得了重大突破，这是“内外合力”的共同结果。一方面，随着工业、汽车、医疗、智能家庭中无线传感器网络以及可穿戴式设备、移动产品等难以获得供电的应用快速发展，对能量采集带来的无电源供应技术的需求日趋强烈。另一方面，在能量采集系统中需要不同模块的“共同作战”，如可稳定供货的低成本、低功率传感器和微控制器以及能量采集器、存储元件等，业界在低功耗微处理器和传感器领域中已经取得了相当大的进步，作为系统中最大瓶颈的适合能量采集应用的PMIC也陆续登场，一些厂商提供的产品均实现了新的突破，由此让能量采集技术热度大幅升高。据美国iRAP公司调查显示，到2014年，能量采集市场规模将达到12.54亿美元。

太阳能和热能最具潜力

传感器、MCU、RF等功耗降低，电源管理IC技术突破，使得能量采集技术难关攻克。

“从能量采集技术来看，最大的挑战仍是将能量有效地收集起来。”德州仪器（TI）电源管理市场及应用经理文司华对记者介绍说，“从应用来看，比如用在手持设备上的单节锂电池，电压一般都是3V或2.5V以上，输入电流在1A以内，很少做到50mA以下。但如通过能量采集芯片采集1000μW的能量，它能提供的电压可能少于1V，电流也是以mA级或μA级计的。”

“能量采集之所以一直没有被真正地广泛应用，最大原因是其能量收集端所能收集到的能量和其能量消耗端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态，简单点说就是其收集的能量不够用。但随着传感器、MCU、RF等器件功耗的不断降低，以及能量采集电源管理IC技术的突破，使得能量采集技术攻克了这一难关。”富士通半导体市场部高级经理王韵介绍说。

从目前的能量源来看，最高是太阳能，达到10μW/平方厘米～10000μW/平方厘米;接下来是热能，25μW/平方厘米～1000μW/平方厘米;之后是振动能，每平方厘米达50μW～250μW;RF的能量最低，为0.01μW/平方厘米～0.1μW/平方厘米。“目前能量采集技术主要集中在太阳能、热能两个方面，振动或RF是整个能量源的蓝图，未来有可能会支持采集振动、RF能量。因振动和RF能量属于更低能量等级，如果用现有方案去做的话，能量密度可能不够，输出能量可能达不到所要求的最低工作电压，比如330mV才能冷启动，但之前只能做到80mV或120mV，那就无法让芯片冷启动，也就无法工作了。个别特殊应用如剧烈振动或频率非常高的情况下还是可采集相关能量，只要达到相关电流或电压门槛值就可应用。”文司华指出。

重在解决芯片自耗电

针对适合能量采集应用的PMIC，所要考虑的首要因素包括拓扑结构、效率、最大能量撷取等。

从采集能量芯片来看，自耗电电流成设计的最大挑战。“这要求芯片的静态电流必须非常小，因为通常的DC/DC在转换时，1mA~10mA自功耗是常见的，在待机的情况是几十个μA到100μA，在关机情况下能达到1μA~2μA也是相当不错的，但对能量采集来说是远远不够的。因为其进来的电流一共才2μA，自己的功耗就耗掉1μA，能效是50%。这个挑战需要很多研究去做，包括拓扑结构和芯片设计等。”文司华指出。

针对适合能量采集应用的PMIC，所要考虑的首要因素包括拓扑结构、效率、最大能量撷取等。适合能量采集应用的PMIC拓扑包括线性降压（LDO）稳压器、降压转换器、升压转换器和降压-升压转换器。德州仪器最新一代电源管理IC就在“折衷”方面实现了新突破，如集成降压转换器的最新bq25570升压充电器不但静态流耗极低，仅为488nA，而且可在输出电流低于10μA的情况下实现超过90%的效率。该器件不仅支持最大功率点跟踪（MPPT），可从光伏电池和热电发生器提取和管理电源，而且还支持任何能源存储元件。

对于能提供多大能量和提供多长时间的问题，文司华认为，关键还是要看能量源的存在形式，比如是单节太阳能电池板还是多节的太阳能电池板。如果是单节的就只能释放0.6V~0.8V的能量，电流在几十微安或者100微安量级，这样的能量会存储在超级电容上。然后要看占空比是多少，通信频率越低，收集的能量会越多。从应用设计角度来讲，由于这几个参数的变化性，目前还没有一个标准答案。

存储元件至关重要

直接给Zigbee、蓝牙、MCU等产品供电，以及大多数可预见的应用，都需要各种各样的存储元件。

在能量采集这一挑战解决之后，还是不能直接给Zigbee、蓝牙、MCU等产品供电，因为其最少也得需要几十或上百微安级的电流，还需要存储元件的“配合”。“存储元件包含电池、薄膜电池或超级电容之类，存储元件必须存在。业界追求能量采集系统的低占空比，就是指大部分时间需要收集能量以保存在存储元件中，少部分时间是输出能量，为所需器件供电。”文司华指出，“除非像有些微波传输、RF遥控器等，本身的功耗非常低，无存储元件就可进行通信，或者那些依靠太阳能就可直接供电的应用。对大多数可预见的应用而言，还是需要各种各样的存储元件。”

对于会不会增大设计尺寸的问题，文司华指出，超级电容以法为单位，一法的超级电容比一个小的锂电池等效电容还要小很多，本身这个电池占比空间并不是很大。

未来超级电容有更多的应用。文司华说：“超级电容的优点在于充电快，可以接受大电流充电，几秒钟就能充好电，放电速率也很快，不会像锂电池一样受放电速率影响。超级电容主要用在服务器上，平常处于完全满充状态，在关键时间点它可以瞬间充电启动备用电源。薄膜电池是一种新兴的技术，很轻，容量密度不错，但整体容量小，应用还不多。”