實現所謂的零功率傳感器將需要從環境中的資源中獲取能量。在將一個人的選擇范圍縮小到可用資源之后，下一個標準將是可用能源的數量和所需的能源數量。太陽能和風能收集可為大功率解決方案提供堅實的基礎。熱量通常作為來自發動機、機器和其他來源的廢物副產品很容易獲得。熱梯度收集是捕獲環境熱量并將其投入使用的過程。在利用環境現象獲取能量的眾多方法中，使用壓電設備將振動轉換為電能似乎特別有效，根據尺寸和結構，能夠產生數百微瓦 (μW/cm2)。

熱梯度

通過溫度梯度收集能量是使用熱電和熱電解決方案完成的。熱電體的使用受到限制，因為它需要可變的溫度輸入，而其他方法可以提供數十萬小時的不間斷運行，但效率低下。熱電解決方案由 Peltier 電池實現。

“熱電材料的例子有碲化鉍、碲化鉛、三銻化鈷和硅鍺，這些都可以提供良好的性能，”Applied Thermoelectric Solutions 的創始人兼首席技術官 Alfred Piggott 說。“使用這些材料，熱電發電機可以在設計合理的熱電發電機的理想應用中實現高達 9% 至 11% 的效率。哪種材料最好取決于許多考慮因素，但主要取決于熱電發電機的應用、預算和設計。”

理想的熱電材料應具有低熱導率、高電導率和高塞貝克系數。用于能量收集的熱電效應歸功于 Thomas Johann Seebeck。在熱電裝置中，當不同溫度結合時會產生電壓。同樣，施加電壓時也會產生溫差。材料或器件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)可實現每個電池 0.2 mV/K 的輸出電壓，而如果熱電轉換器使用多個 p 和 n 對(使用 10 個電池為 20 mV)，則可以獲得更高的值在 ΔT = 10K)。源的等效模型由帶 RT 輸出電阻的戴維寧發生器表示，可以提供給負載的最大功率通過電阻阻抗適配 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。熱量將一直流動，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支配。

電源管理 IC

溫差可用于發電。太陽能熱和地熱系統產生的廢熱，甚至家用電器的排放流都可以被收集起來。

假設我們使用電池供電的無線物聯網設備，這些設備在人體、烤箱和電機產生熱梯度的環境中運行。如果沒有能量收集，此類設備的電池需要更換，因為它們會釋放能量。這會產生運營成本。根據可用的溫度梯度，熱電發電機 (TEG) 可產生 20 μW/cm2 至 10 mW/cm2 的功率。TEG 和壓電傳感器與 PMIC 相結合可以為物聯網設備中的電池充電。

圖 ：MAX17710 的簡化工作電路(圖片：Maxim Integrated)

熱電能量收集系統的設計考慮因素“包括電氣和熱能要求、熱電材料、特定應用的考慮因素、耐用性目標、銷售價格和工程預算，”皮戈特說。振動是一種無處不在的能源。路上的每輛車都會在瀝青路面和駕駛室中產生振動。鑒于世界高速公路上的汽車數量，從振動中獲取能量的吸引力是顯而易見的。

Maxim Integrated 的 MAX17710 PMIC 是一個完整的系統，用于對微功率存儲電池進行充電和保護，并且可以管理調節不佳的電源，例如輸出電平范圍為 1 μW 至 100 mW 的能量收集設備。

e-peas 的 AEM30940 集成能源管理子系統從 TEG、壓電發電機、微型渦輪發電機或高頻射頻輸入中提取直流電，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穩壓電壓。PMIC 集成了一個超低功率升壓轉換器，可為鋰離子電池、薄膜電池或超級電容器或傳統電容器等存儲元件充電。它可以在輸入電壓低至 380 mV 且輸入功率僅為 3 μW 的情況下以空存儲元件開始運行(圖 4)。

圖 ：AEM30940 的典型應用電路(圖片：e-peas)

圖 所示的 LTC3588-1 集成電路提供了一個完整的能量存儲解決方案，該解決方案針對壓電傳感器等高阻抗發生器進行了優化。Analog Devices 電路具有一個低損耗全波整流器和一個高效同步降壓轉換器，可將輸入端存儲設備的能量傳輸到能夠為高達 100 mA 的負載供電的穩壓輸出端。它采用 3 × 3-mm DFN 或 10 導體 MSE 封裝。

圖 ：完整的能量存儲解決方案，針對壓電傳感器等高阻抗發生器進行了優化(圖片：Analog Devices)

為了有效地設計完全自主的無線傳感器系統，您需要低功耗微控制器和傳感器，在低能耗環境中消耗最少的電量。此類系統的電源解決方案可能包括存儲傳感器本身的本地環境中可用的機械能、熱能或電磁能。

超級電容器是能量收集的技術先決條件。它們具有電解電容器和可充電電池的功能特性，但每單位體積或質量可存儲比電解電容器多 10 至 100 倍的能量。與典型的可充電電池相比，它們可以以更高的速度積累電荷，并能承受更多的充放電循環。

審核編輯：湯梓紅