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能量采集系统超低功率的设计挑战

上网日期: 2014年02月08日 ?? 作者: Bruno Damien,Andrea Colognese ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:能量采集系统? 传感器网络? ETA平台?

近年来,能量收集(energy harvesting)话题在电子设计群体内获得了广泛关注。通过能量收集过程,能够捕获、收集然后透过电子设备来利用小批量的能量,从而能够完成简单的任务,而无须在系统设计中集成传统电源。然而,为了有效地实现能量收集,系统需要以尽可能最高的能效等级工作,不管是系统规定的构成元件,还是系统布设的方式,都是如此。下文将讨论能量收集应用的几项技术挑战,以及创新的数字、模拟及电源管理半导体技术怎样发挥关键作用来克服这些挑战。

如今在利用能量收集(或清理)的应用包括建筑物自动化系统、远程监视器/数字采集设备及无线传感器网络。由于能量收集并不依赖于传统形式的电源,它有两种关键的生态优势。首先,它不会导致任何化石燃料储备的耗尽;其次,它不会增加污染等级(因为没有相应的碳排放或用后丢弃的电池)。除了免去绕线或线缆之需并因此提供便利性,对于原设备制造商(OEM)和系统集成商而言,这类应用的真正优势在于,一旦真正就位,它实际上不会产生日常运行成本,因而不会收到公用事业机构的账单或是成本高昂的替换电池上门服务等。

提取所要求的能量

可以采取多种方式来从环境中收集能量(取决于何种方式被证实最适合于特定应用背景),产生的功率等级通常在10μW至400μW区间。采用的机制包括温差、动力学(主要通过振动运动)、太阳能、压电效应、热电效应及电磁。然而,可能除了太阳能外,有关能量采集是“免费”能量的认知并不是完全准确。其于振动或温度梯度的能源利用了大量源自系统的浪费能量。因此,须顾及维修及维护成本因素。

能量采集系统超低功率的设计挑战(电子工程专辑)
图1 : 真实世界应用的功率范围

通过收集过程产生的能量可以用于多种方式,例如:

1. 开关(建筑物自动化) – 施加在开关上使其导通或关闭的机械力足以产生相当于数毫焦耳(mJ)的能量来运行无线收发器。这种方式发送射频(RF)信号来启动门锁或灯。这种方式由于不需要绕线,故提供后勤维护及审美上的效果。

2. 温度传感器(建筑物自动化) – 环境空气与加热器之间的温差能提供将温度数据以无线方式发送回给调节系统所需的能量。

3. 空调(建筑物自动化) – 空调导管的振动能用于通过电磁感应产生电气信号。空调可以通过此信号来控制。

4. 远程监控(工业/环境) – 其形式可能是无人值守气象台、化工厂的气体感测系统、海啸警示系统等。太阳能电池或小型风力涡轮机可以提供所要求的能量。

5. 医疗植体(保健) – 诸如血糖监测仪,此类应用中,热量或人体活动使置于病人皮肤上的低功率无线收发器能够将数据反馈至诊疗中心,而无需包含电池(因而提升病人的舒适度,并减少不便利体验)。

6. 手表(消费) – 太阳能或运动能量能用于支援无电池手表的工作。

7. 胎压监测(TPMS,汽车应用) – 使用表面声波(SAW)传感技术, 有可能规避因安装电池及在各个汽车轮胎上配合温度/压力传感器所需的复杂电子电路产生的问题,因而缩短物料单(BOM)成本及所需的工程资源。

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