新型能量收集技術不斷挑戰(zhàn)設計人員能夠向系統供電的方式。 用于移動電話的微型風輪機和用于心臟起搏器的寬帶熱能收集技術正創(chuàng)造出全新的發(fā)電方法。 本文將介紹 MESE 領域的最新能量收集技術，以及設計人員如何收集產生的電能。 本文將重點討論來自 Linear Technologies、STMicroelectronics 和 EnOcean 的器件。

隨著傳感器和無線鏈路的電能要求減弱，作為家庭、工廠車間甚至是人體內部的簡易供電方法，能量收集器件的作用愈顯重要。 這種情況一直在激勵著各種公司和大學的研究人員，他們考慮利用一些極為吸人眼球的全新途徑來實現能適應環(huán)境的不同發(fā)電方法。

這包括熱電學——熱生電——如美國能源部等機構正與寶馬 （BMW）、通用 （GM） 聯手，將發(fā)動機和尾氣廢熱轉換為電能，然后用于車輛的電氣系統。 NASA 使用熱電器件向火星車供電，這些器件與太陽能電池不同，工作時沒有光線。 壓電式能量收集器憑借體積小、能效高的特性引起了人們極大的興趣。 市場研究公司 IDtechEx 稱，到 2022 年，這四種能量收集形式在工業(yè)檢測應用方面的市場份額將大致相同。 到 2024 年，能量收集設備的市場總額將攀升至 26 億美元。

圖 1：能量收集技術的市場發(fā)展情況。 來源：IDtechEx （2014.02）。

使用微型風車是一種極為新穎方法，這種器件所采用的技術與手機中實現最新加速計的技術相同。 來自美國德克薩斯州大學的一位研究助理兼電氣工程教授設計出一種能產生風能的微型風車。據稱，該器件可用于為手機電池充電。

圖 2：能向手機供電的 MEMS 風車。

Smitha Rao 和 J.C. Chiao 教授設計和制造的器件，其最寬部分約 1.8 mm。 在手機套上可以看到數百個嵌入式風車，在空中晃動手機或者在有風天氣手持手機對準打開的窗戶時，由此產生的風會發(fā)電并由手機電池收集這種電能。

Rao 在微型機器人設備方面的工作最初吸引了一家***公司的注意，他們有興趣將 Rao 和 Chiao 在創(chuàng)新設備設計和應用方面的奇妙想法運用到公司的微加工 （MEMS） 制造工藝上，這種工藝已在加速計方面實現了商業(yè)化。

Rao 的設計把折紙概念和傳統的晶圓級半導體設備布局相結合，以使復雜的 3 D 可移動機械結構能利用已由鑄造廠優(yōu)化的平面多層電鍍工藝——WinMEMS 技術——從二維金屬件實現自裝配。 微型風車之所以工作良好，是因為所用金屬合金是柔性材料以及 Rao 的設計遵循了功能極簡化主義。

微型風車于 2013 年 9 月在 Chiao 辦公室順利通過測試。 由于采用了耐用的鎳合金以及智能化空氣動力學設計，這種風車在人造強風環(huán)境下未出現任何材料斷裂情況。 大多數 MEMS 設計人員面臨的問題是材料易碎，但采用鎳合金就能消除這一問題并使設備持久耐用。

Rao 說，這僅僅是第一步，因為可以采用批量工藝成系列地制造微型風車。 制造一個設備與在一個晶圓上制造數百或數千個設備的成本相同，因此可大批量生產成本極低的系統。

小尺寸意味著可以制造帶有數千微型風車的扁平面板，并將其安裝到房屋或者建筑墻壁上，為照明、安防或環(huán)境、無線通訊收集能量。

然而，無論是向手機充電，還是安裝在房屋上，風車陣列將產生少量電流，而這可能會造成需要通過電源管理系統才能控制的顯著變化。 盡管手機電池可用來消除一部分這種變化，但還是需要謹慎管理充電過程。 對于向房屋供電的大型陣列，這種變化更巨大。

諸如來自 Linear Technology 的 LTC3108 器件能利用極低輸入電流提供穩(wěn)定輸出。 為能順利實現該功能，風車陣列必須與電源管理設備的輸入范圍相匹配，而且這需要經過精心優(yōu)化。 所需輸入容差可能比現有的更小，并將影響下一代電源管理設備的設計。

STMicroelectronics 也在利用一種新型芯片開發(fā)能量收集應用，這種芯片集成了利用太陽能電池或熱電發(fā)電機 （TEG） 向電子電路供電、向電池再充電所需的全部功能。 這種應用基于該公司的 SPV1020 單片 4 相交錯式 DC-DC 轉換器，該器件旨在使太陽能光伏板最大限度地產生電能，但不受溫度和太陽照射影響。

利用嵌入式邏輯器件進行電能轉換優(yōu)化，邏輯器件在連接轉換器的 PV 電池上執(zhí)行 MPPT（最大功率點跟蹤）算法。 在 PV 板的接線盒內可放置一個或多個轉換器，以更換旁路二極管，并且，由于以本地方式計算最大功率點，因此系統級能效要高于在主要的集中式逆變器上進行 MPP 計算的傳統拓撲結構。

SPV1050 已將這種能力擴展到 TEG 系統，可支持電源要求從幾微瓦到數毫瓦的應用，且該器件同樣適于利用太陽能或熱能的室內外消費和工業(yè)類應用。

目前，1.8V 和 3.3V 穩(wěn)壓器均可直接向同伴微控制器或者無線發(fā)射器提供電力，無需增加元件。

在該器件中，升降壓轉換器通過提供 180 mV 至 8 V 的寬輸入電壓范圍，允許該器件連接至 TEG 或者室內外太陽能收集模塊。平均工作能效達到 90%，即使在低輸入功率水平下也能實現電池快速充電，而最小僅 90% 的 MPPT 精確度又能保證最大限度地從太陽或 TEG 源吸取能量。 此外，集成電池充電控制器采用高精度欠壓和充電完成閾值，并通過提供安全控制邏輯來防止過度充電，最終延長電池壽命。

壓電式心臟電源

壓電式晶體是一種與眾不同的技術，正被用來向能保持心臟正常工作的心臟起搏器提供電力。

從人工電子耳蝸到可植入除顫器，人們已經開發(fā)出用于在人體內執(zhí)行許多功能的電子器件。 現在，這些器件幾乎都是依靠一些電力會最終耗盡的電池供電。 對于心臟起搏器來說，電池供電壽命為 6 到 10 年。 更換電池時不可避免地要進行手術，且風險大、費用高。

現在，美國和中國的研究人員已開發(fā)出一種能夠利用人體自然運動收集能量的柔性壓電式植入物。 該研究團隊希望這類器件有一天能向不同的醫(yī)療植入物提供電力。 在牛和羊身上進行的試驗表明，他們的器件已能利用這些動物的心跳收集足夠的能量，向現代心臟起搏器供電。

圖 3：心臟起搏器的壓電式發(fā)電站。

從原理上講，能夠發(fā)電的器件可以永久工作。 人體內最明顯的能量源是一些有器官的規(guī)律運動，如心臟、肺或隔膜。 不過，對機械式能量收集器的要求極其嚴苛——能產生足夠的電力向植入物供電，但不能干擾人體的自然運動。 能量收集器固定在心臟上時這一問題將尤為重要，因為從心臟外部施加壓力會導致心跳異常，這就是通常需要通過植入心臟起搏器來應對的情況。

由 John Rogers 領導的美國伊利諾伊斯大學研究小組開發(fā)出一種能夠收集心跳機械能的柔性壓電式補片。 這種植入物包括由 500 nm 厚鋯鈦酸鉛 （PZT） 扁帶制成的薄膜，且周圍環(huán)繞金和鉑金電極。 PZT 是一種壓電材料，也就是說彎曲時其兩端會產生電壓。 這個輸出用于向集成到設備中的微型電池充電，且所有這些材料和設備同時密封在一層聚酰亞胺材料中，以達到生物相容性要求。

研究人員嘗試將這些補片按照不同方向縫到處于麻醉狀態(tài)的牛和羊的心臟上。 這些器件產生的電壓與理論預測值幾乎完全一致，且植入物沒有對心臟的自然跳動產生明顯干擾。

他們發(fā)現，當把這些補片按照最佳方向縫到右心室時，產生的電能可達 0.18 μW/cm2。 最新的心臟起搏器最低最低可在 0.3 μW 功率下工作，該研究團隊通過將多個壓電層疊加來產生這一功率。 該團隊現在已獲道德委員會批準，可以將這種補片留在這些動物體內并將其喚醒，允許他們在數月甚至數年內監(jiān)視這些動物的活動情況，以檢查這些器件是否持續(xù)正常工作并對受試動物造成不利影響。 這樣做旨在使心臟起搏器工作十年以上，但對生物相容性則是一個挑戰(zhàn)。

壓電式能量收集技術已經有象 Midé Volture V21BL 這樣的器件運用到工業(yè)應用中。 晶體會與振動的物體產生共振，產生足夠的電流后向傳感器供電。 大幅減小這類器件（包括電源管理器件）的體積并使其與人體組織相容，是研究人員正在攻克的一大難題。

咔噠動作向無線鏈路供電

在稍大規(guī)模上，德國能量收集專業(yè)公司 EnOcean 開發(fā)出一種低成本能量收集開關，例如該公司的 Dolphin 系統，可向一個 2.4 GHz 無線鏈路供電。

圖 4：EnOcean 的 Dolphin 能量收集無線開發(fā)系統。

一方面，這種 2.4 GHz 演示器包括一個低成本能量收集雙通道開關和一個用于向該開關發(fā)出指令的 NFC（近場通訊）無線電芯片，其中，雙通道開關集成了一個 2.4 GHz RF 芯片，用于與傳感器節(jié)點通訊。 而在該演示器的另一端，則是一塊具有 LED 和控制電子器件的電路板，在按下開關時接收“啟動/關斷”信息。

在 EnOcean 的機電式能量收集轉換器的控制下，按壓按鈕產生的壓力被轉換為生成無線信號所需的充足電能，從而實現了沒有電纜和電池也能進行數據通信。 該原型也通過智能手機將發(fā)射器功能與接收器配對。 這為系統開發(fā)人員和用戶提供了許多在網絡中集成無電池元件的新方法。

利用 NFC 芯片，安裝人員，甚至是客戶也能通過任何支持 NFC 的智能手機配置該開關。 由于該開關不需要任何接線且范圍達到 3 km，因此在許多家庭自動化或工業(yè)應用中都能看到這些器件的身影。 目前，這項研究僅用來說明一個簡單的成品能量收集開關可以在免牌照 ISM 頻段中向無線鏈路提供電力。

EnOcean 還開發(fā)出一種基于 Linux 且?guī)в袔斓闹虚g件，用于解析其所有低功耗無線電協議，然后將任何傳感器信息從邏輯電平轉換為 IP 電平，以使其它設備、服務器，甚至云服務都可以處理這些信息。 這只是該公司利用這些能量收集技術向支持大量 RF 協議方面深入拓展的一部分。 該公司針對 MiOS 市場推出一種插入式器件，以利用 EnOcean 的自供電開關和傳感器控制 Z-Wave? 收發(fā)器，如 ZM5202。

圖 5：Z-Wave ZM5202 無線收發(fā)器現在可由 EnOceancan 的能量收集器供電。

這種新型插入式器件在成熟的 EnOcean 樓宇無線自動化標準與民用 Z-Wave 無線產品之間架起了一座橋梁。 這意味著，Z-Wave 開發(fā)人員現在能夠從物理到太陽能和熱生成方面利用 EnOcean 能量收集技術。 此外，還允許 Z-Wave 開發(fā)人員有機會接觸到 EnOcean 聯盟成員的各種資源。該聯盟目前包括全球 350 家公司。

總結

諸如 EnOcean 之類公司在減少功率要求方面所展示的成果，正推動新型能量收集技術的研究。 通過一連串微型風機用風力為手機發(fā)電，盡管這種想法聽起來有些怪異，但它說明了主流 MEMS 技術能用到新型發(fā)電方法中。 這會影響電源管理芯片及子系統的設計和開發(fā)，象來自 STMicroelectronics 的新型器件組合在一起可通過寬輸入范圍支持不同的能量收集技術。 正如 EnOcean 所展示的那樣，這些能量收集技術現在可以鏈接到現有的無線技術，如 Sigma Designs 的 Z-Wave，從而進入已有的成熟市場。 無論是針對家庭、工業(yè)應用，還是針對醫(yī)療應用開發(fā)超低功耗系統，設計人員都有大量無需電池的供電器件選擇。