【導讀】先進的電源管理是保持數字技術快速發展的關鍵。能量收集解決方案的使用可以成為物聯網超低功耗解決方案的一個重要轉折點。
先進的電源管理是保持數字技術快速發展的關鍵。能量收集解決方案的使用可以成為物聯網超低功耗解決方案的一個重要轉折點。
實現所謂的零功率傳感器需要從環境中獲取能量。縮小對可用能源的選擇范圍，下一個標準將是可用能源和所需能源的數量。
例如，太陽能和風能的收集可以為高功率解決方案提供堅實的基礎。
與此同時，熱能往往很容易從發動機、機器和其他來源的副產品中得到。熱梯度收集是指獲取環境熱量并加以利用的過程。在很多方面利用能源環境現象,使用壓電設備振動轉換成電能似乎是行之有效的方法, 根據大小和建設密度，它有能力生產數百微瓦(µW / cm2)。
熱梯度
通過溫度梯度收集能量是使用熱電解決方案。熱電聯產的使用是有限的，因為它需要一個可變的溫度輸入，而其他可以提供幾十萬小時的不間斷運行，但效率很低。熱電解決方案是由佩爾蒂埃電池模塊所解決。
應用熱電解決方案有限公司創始人兼首席技術官Alfred Piggott說:“熱電材料的一些例子是碲化鉍、碲化鉛、三銻化鈷和硅鍺，它們可以提供良好的性能。使用這些材料，在一個理想的應用與適當設計的熱電發電機，可以達到高達9- 11%的效率。哪種材料是最好的取決于許多因素，但主要是根據應用、預算和熱電發電機的設計來決定。"
理想的熱電材料應具有較低的導熱系數、較高的導電性和較高的塞貝克系數。
這種能量收集的基礎上的熱電效應是德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克提出的。在熱電裝置中，當不同的溫度合在一起時就產生電壓。同樣地，施加電壓時也會產生溫差。材料或設備在單位溫度下產生電壓的能力稱為塞貝克效應。
通常用于創建p和n區域的材料(碲化鉍，或Bi2Te3)允許獲得每個細胞0.2mV/K的輸出電壓，而如果熱電轉換器使用多個雙p和n (20mV，在?T=10K使用10個細胞)，則可獲得更高的值。電源的等效模型由帶有RT輸出電阻器的Thevenin發電機表示，可提供給負載的最大功率由電阻阻抗自適應Rload=RT獲得。
兩點之間的溫差導致熱能從最高溫度點流向最低溫度點。熱流將一直存在，直到達到熱平衡，并可用于收集可重復使用的能量。從熱交換中提取能量的過程受熱力學定律的支配。
后來，Jean Charles Athanase Peltier發現，使電流通過兩種不同導體的交叉點，就會發生加熱或冷卻。氣流的方向決定了溫度變化的方向，向上或向下。產生或吸收的熱量與電流有關，比例常數稱為佩爾蒂埃系數。
壓電效應
機械振動是為電子系統提供足夠能量的另一種方法。壓電換能器的振動通過使用特殊的質量和允許移動的特殊系統，近年來在能量收集應用中得到了廣泛的應用。
壓電轉換器利用直接的壓電效應，即當受到機械應變時，某些晶體產生電位差的特性。這種效應發生在納米尺度，是可逆的。近年來，聚合物塑料基壓電材料(Pvdf)得到了廣泛的發展，并在不斷地尋找新材料和越來越先進的制造工藝。
壓電效應將動能以振動或沖擊的形式轉化為電能。壓電發電機(能量收割機)通過將浪費在環境中的振動能量轉化為可用的電能，提供了一種可靠的解決方案。它們是需要為電池、超級電容或直接為遠程傳感器系統充電的應用程序的理想選擇(圖1)。
S234-H5FR-1803XB壓電晶體轉換成電能的振動
系統的總體性能取決于諸多因素，如輸入振動、傳感器的幾何形狀和材料、引起振動的質量、電子接口。因此，即使在早期的設計階段，也非常需要換能器和電路結行為的快速和可靠的定量估計，以優化整個系統。
壓電效應的分析可以用下圖所示的電路來表示。
電感LM為等效慣性質量;電容CM為換能器的彈性;電阻RM表示機械損耗。機械部分是由發電機FIN產生的力,相反的反饋力發生器α-VP,由電壓控制的輸出設備上開發能力的CP(逆壓電效應)。同時,機械速度?產生當前β?供應兩個電容輸出(壓電)的直接影響和其他可能的電氣負載連接到傳感器。因此,模型識別涉及以下六個獨立參數: LM , CM , RM , CP , α and β。α和β是熱系數相關的系統。
電源管理IC (PMIC)
溫差可以用來發電，從而利用在其他情況下會損失的多余熱量。太陽能和地熱系統的余熱可以被收集。可使用一般家用電器的排放流。
假設我們使用電池供電的無線物聯網設備，這些設備在一個由人體、烤箱、電機產生熱梯度的環境中運行。如果沒有能量收集，這些設備的電池就需要更換，因為它們會釋放能量，這就產生了運營成本。根據可用的溫度梯度,熱電發電機可以生成20µw²10 mw /平方厘米。
熱電發電機和壓電傳感器與適當的PMIC相結合，將在物聯網應用中為電池充電。
為了設計更好的熱電能量收集系統，有許多特性需要考慮。包括電氣和熱需求，使用合適的熱電材料，特定應用要考慮耐久性目標，產品銷售價格和工程預算。
振動是一種無處不在的能量來源。每個在路上的汽車會在柏油路上,在駕駛艙產生振動,如果我們考慮高速公路的長度和大量流動的汽車,從振動能夠獲得能量的想法似乎很有吸引力。
Maxim公司的MAX17710是低功耗高效能量采集充電和保護的完整系統,能管理輸出功率從1FW到100mW的能量采集器件. 它是行業首個IC集成的環境能量收集的電源管理的所有功能，充電和保護微能源電池以及(MECS)，一個固態電池的形式。在超低電流水平運行時，MAX17710接受來自管理不善的能量與輸出范圍從100mW的水平1μW到收獲各種來源的能量。例子包括光(通過光電池捕獲)，振動(由壓電元件捕獲)，熱量由熱電發電機捕獲)和射頻(例如，近場通信(NFC))。
另一個PMIC是AEM30940，這是一個集成的能量管理子系統，它從熱力發電機、壓電發電機、微型渦輪發電機或高頻射頻輸入中提取直流能量，同時將能量存儲在可充電元件中，并為系統提供兩個獨立的調節電壓。它集成了一個超低功率的升壓轉換器來給存儲元件充電，比如鋰離子電池、薄膜電池或超級或傳統電容。它可以開始操作與空存儲元素輸入電壓至380 mv和輸入功率僅3μw。
LTC3588-1集成電路提供了一個完整的能量存儲解決方案，該方案針對壓電換能器等高阻抗發電機進行了優化。它的特點是低損耗全波整流器和高效率的同步降壓轉換器，可以將能量從輸入的存儲設備傳輸到輸出的調節電壓，能夠提供高達100mA的負載。它可在一個3mm×3mm的DFN或10導體的MSE進行封裝。
為了有效地設計一個完全自主的無線傳感器系統，你需要低功耗的微控制器和傳感器，它們在低能耗環境中消耗最少的電能。這種系統的電源解決方案可能包括在傳感器本身的本地環境中存儲可用的機械能、熱能或電磁能。
超級電容器是有效利用能量的技術前提。它們是容量非常大的電容器，同時具有電解電容器和可充電電池的功能特點，但每單位體積或質量所能儲存的能量是電解電容器的10至100倍，并能以比一般可充電電池快得多的速度積聚電荷，而且比可充電電池毫發無損地經歷更多的充放電循環。
（來源：翻譯自——EEtimes ，Maurizio Di Paolo Emilio）
