TI開拓新領(lǐng)域 能源采集方案露頭角 - 全文

　　本文作者：
　　德州儀器 (TI) 首席專家Gene Frantz
　　德州儀器 (TI)電源產(chǎn)品解決方案首席技術(shù)專家Dave Freeman
　　德州儀器 (TI)電池管理解決方案產(chǎn)品與業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理Chris Link

　　引言

　　超低功耗 （ULP） 技術(shù)為我們帶來大量的新型應(yīng)用，這些應(yīng)用可收集微量級的自然能，并且維護(hù)工作很少甚至是不需要維護(hù)——它們是一些具有自持力的器件，能夠永久或者說近乎永久地工作。這些新型系統(tǒng)現(xiàn)在正在工業(yè)和消費類電子設(shè)備中不斷涌現(xiàn)，并將給醫(yī)療與?？敌袠I(yè)帶來巨大的變化。作為ULP技術(shù)和產(chǎn)品領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，TI 在這些新型系統(tǒng)的實施方面扮演著重要的角色，它把我們帶入一個全新的能源采集領(lǐng)域。

　　TI技術(shù)為永久運行器件開拓出新的天地

　　直到最近，微能源采集（即收集極微少的自然能來為一些電子系統(tǒng)供電）理念仍然還只是一個夢想，僅僅是一些研究建議和實驗室試驗。今天，越來越多的系統(tǒng)開始利用光、震動和其他先前被我們浪費掉的自然能，用于為那些電線布線和電池維護(hù)不便的應(yīng)用供電。在工業(yè)領(lǐng)域，傳感器收集遠(yuǎn)程設(shè)備和危險處理工藝的相關(guān)信息；在消費類電子設(shè)備領(lǐng)域，看重的是移動性和便利性；而在醫(yī)療系統(tǒng)方面，對修復(fù)和無創(chuàng)監(jiān)控有特殊的要求。正因如此，能源采集技術(shù)正迅速地進(jìn)入到這些新型應(yīng)用中。

　　隨著自供電、低維護(hù)系統(tǒng)的發(fā)展，我們不禁要問它們何時才能實現(xiàn)完全的自持力呢。換句話說，我們距離實現(xiàn)永久工作、免維護(hù)設(shè)備的目標(biāo)還有多遠(yuǎn)？答案是，在一些情況下，永久工作的設(shè)備已經(jīng)在使用之中。早在20世紀(jì)70年代，TI和其他公司都曾推出過一種手持式計算器，它使用小型太陽能板來供電。這些信用卡大小的計算器系統(tǒng)，現(xiàn)在仍然隨處可見，它幫助人們計算小費和雜貨店的賬單。在淘汰速度極快的消費類電子產(chǎn)品領(lǐng)域，30年的使用時間肯定算得上是永久工作性設(shè)備了。

　　自供電計算器的使用者需要有光線才能看清鍵盤和顯示器，而計算器正是利用光來產(chǎn)生自己需要的電，因此，在許多情況下，自然能和應(yīng)用之間形成了一種共生關(guān)系，這也就讓我們可以有機會實現(xiàn)能源采集。但是，盡管計算器只需顯示其結(jié)果，而其他系統(tǒng)可能要求把數(shù)據(jù)或者信息通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。更為典型的新型能源采集應(yīng)用是那些在用的無以計數(shù)的通信傳感器和監(jiān)視器，它們使用電池供電，可以在無需維護(hù)的情況下工作數(shù)年之久。這些器件可以看作是亞永久性設(shè)備，盡管世界上有大量的這種設(shè)備，但是它們只是一個開始。

　　在非常短的時間內(nèi)，大量的能源采集設(shè)備將會出現(xiàn)在我們的家里、辦公室里、工廠里、公路上、醫(yī)院里甚至是人的身體里。這些自然能供電的電子設(shè)備，僅要求最少甚至不要求維護(hù)，它們將與其他系統(tǒng)進(jìn)行通信，有時甚至?xí)B接網(wǎng)絡(luò)“云”。對于那些創(chuàng)造這些系統(tǒng)的設(shè)計人員來說，不僅僅面對一些熟悉的問題，例如：性能和功率要求與成本之間的平衡，同時還會面對如何平衡使用率與能源可用情況的問題。另外，還存在想象力的問題：當(dāng)落成桌面上的一縷陽光或者人在地板上走動產(chǎn)生的微弱震動都可以為您的設(shè)備供電時，您準(zhǔn)備怎幺運用它呢？

　　TI正致力于開發(fā)實現(xiàn)能源采集系統(tǒng)的超低功耗（ULP）技術(shù)，同樣也面臨這些問題。TI產(chǎn)品已經(jīng)廣泛用于這些應(yīng)用之中，并且公司的技術(shù)開發(fā)針對這個迅速增長領(lǐng)域未來的發(fā)展。隨著新型應(yīng)用的發(fā)展，它們將使用超低能源，而ULP的定義也將發(fā)生變化。今天的ULP產(chǎn)品，未來則可能會被看作是高耗能產(chǎn)品。另外，推動降低功耗要求，可以推動這些設(shè)備的更大規(guī)模部署，從而構(gòu)建起一些更高密度的網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)和消費類市場在更廣范圍不斷分發(fā)信息，TI正在研究通過什幺方式來讓系統(tǒng)走過使用傳統(tǒng)能源的階段。實現(xiàn)永久性工作設(shè)備的道路在哪里？

　　新應(yīng)用領(lǐng)域的要求

　　在不遠(yuǎn)的將來，在大多數(shù)情況下，能源采集系統(tǒng)（不管是永久性還是非永久性）都會成為網(wǎng)絡(luò)上的永久性工作設(shè)備或者遠(yuǎn)程節(jié)點。具有電源線或者需要電池來實現(xiàn)機械功能的一些應(yīng)用，不會迅速改變。但是，新型應(yīng)用會在遠(yuǎn)離中央系統(tǒng)的地方傳輸信息和實現(xiàn)通信。使用電池或者電線的一些現(xiàn)有應(yīng)用，也可能會轉(zhuǎn)而使用能源采集，目的是節(jié)省成本和實現(xiàn)聚合。進(jìn)一步講，通過記錄偏遠(yuǎn)地方發(fā)生的事件并向中央系統(tǒng)報告，或者作為一個數(shù)據(jù)傳輸開關(guān)，能源采集應(yīng)用通常的作用是數(shù)據(jù)通信。這類應(yīng)用，推動所謂的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，讓其超越使用傳統(tǒng)電源的電器，進(jìn)入一些全新的領(lǐng)域（截止目前，幾乎沒有數(shù)據(jù)通信的領(lǐng)域）。

　　早期應(yīng)用涵蓋工業(yè)和消費類電子產(chǎn)品，而醫(yī)療系統(tǒng)是一個正在迅速興起的領(lǐng)域。工業(yè)系統(tǒng)往往會長期運行，因此投資回報也是一個長期的過程。體積因素是一個很實際的問題，只有在其影響到產(chǎn)品功能性時才重要。工業(yè)環(huán)境下超微能源采集的重要性在于，它讓一些小型系統(tǒng)特別是傳感器可以安裝在那些人員難以到達(dá)并且維護(hù)困難且昂貴的地方。最近，獲得人們大量關(guān)注的一個應(yīng)用是橋梁和建筑的結(jié)構(gòu)檢測。傳感器可以記錄應(yīng)力或者材料變化，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央系統(tǒng)，中央系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)來決定結(jié)構(gòu)的安全性或者健康程度。工作在這種環(huán)境下的傳感器利用壓電收集器來采集震動應(yīng)力本身產(chǎn)生的能源。在很短的時間內(nèi)，這種能源可產(chǎn)生數(shù)百微焦的能量。在這些傳感器中，所采集的能源驅(qū)動TI的ULP微控制器和發(fā)射器。另一種應(yīng)用把傳感器安裝在一些危險的工業(yè)環(huán)境中。在這種環(huán)境中，維護(hù)所需的信息訪問較少。如果這類環(huán)境下工作的傳感器采集自然能，則需要工作人員冒險的機會大大減少，或者關(guān)閉某個處理工藝來維護(hù)設(shè)備機會也大大減少。

　　在消費類電子產(chǎn)品中，成本和體積因素至關(guān)重要，給在工業(yè)領(lǐng)域不要求的便利性帶來了機會，或者也可以對現(xiàn)有便利性進(jìn)行拓展。例如，許多消費類電子產(chǎn)品都有使用電池的遙控器，需要定期更換電池。這些系統(tǒng)是一些理想的改造對象，可以讓其使用能源采集系統(tǒng)。但是，成本敏感性意味著，收集能源的設(shè)計必須在價格上與那些使用電池的設(shè)計進(jìn)行競爭。一些無線家用和辦公用設(shè)備同樣也有這方面的需求，例如：太陽能計算機鍵盤和電子墨水顯示器等。另外，隨著家用和辦公用設(shè)備的電費不斷升高，負(fù)責(zé)管理室內(nèi)環(huán)境的恒溫器和其他傳感器必須更高效，這樣便可以安裝在更多的位置，并移至更適合的地方。即使是普通燈光開關(guān)也有使用永久性設(shè)備的潛力：按下一個按鈕，便可提供發(fā)送開啟或者關(guān)閉燈光指令所需的能源。所有這些系統(tǒng)都是能源采集技術(shù)的潛在應(yīng)用對象，這樣便無需布線或者定期更換電池。

　　醫(yī)療系統(tǒng)為電子產(chǎn)品提供了一個新的應(yīng)用領(lǐng)域，而自供電設(shè)備擁有相當(dāng)大的優(yōu)勢（請參見表格）。今天，人們正在研究能夠使用人體熱能或者動能作為能源的心臟起搏器，這樣便不再需要定期電池充電和/或為進(jìn)行維護(hù)而做手術(shù)。起搏器使用的微能源采集還可用于其他植入設(shè)備，這些設(shè)備正被快速地開發(fā)出來，旨在增加人的聽力和視力以及輔助假肢等?？纱┐骰蛘咧踩胄捅O(jiān)控器也成為可能，或許可以作為一個身體網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通信，然后單個或者集體向外部系統(tǒng)發(fā)送信息，這些外部系統(tǒng)再把這種信息轉(zhuǎn)發(fā)給健康專家。將來，這種身體監(jiān)控器將會更加全面地照顧到我們每個家庭，或者不管患者走到哪里都能得到照看。

　　醫(yī)療應(yīng)用功耗列表

　　表 1 醫(yī)療和保健為所有功耗級別的ULP技術(shù)提供了廣泛的應(yīng)用前景

　　這些例子表明，能源采集應(yīng)用擁有巨大的發(fā)展前景，但在這之前我們需做深入思考。例如，設(shè)想一下，一個安裝有芯片的咖啡杯通過熱能工作，并會通知您的智能電話您的咖啡涼了或者您的咖啡少了。然后，您的電話會告訴最近的咖啡機準(zhǔn)備好，或者提醒您添加咖啡?；蛟S這種咖啡杯只是一個好玩的小禮物，就像那種當(dāng)您打開時會唱歌的賀卡；但是，就像這些卡片一樣，電子產(chǎn)品也可以有一些好玩的用法。同樣，當(dāng)您走路時您的鞋底可能正在收集能源，而在您踏上某條道路時您腳下的磚也可能會收集能源。您的鞋子可能會監(jiān)控您腳的壓力點，幫助找到最適合您走路的襪子。智能磚頭用于監(jiān)控行人的活動情況，控制交通信號燈甚至是街燈。這些可能看似瑣碎無聊的例子，但反映的問題卻是嚴(yán)肅的：用于制造自供電永久性設(shè)備的電路已經(jīng)存在，而可用性和可購買性均不斷增長。

　　TI的實現(xiàn)技術(shù)

　　技術(shù)的不斷變化帶來了能源采集的發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)云的出現(xiàn)，讓它可以使之前非智能的大量設(shè)備實現(xiàn)大范圍分布式信息采集、有效實現(xiàn)計算和通信。至于系統(tǒng)本身內(nèi)部的技術(shù)，能源采集器必須能夠收集自然能并存儲它，然后以最為高效的方法利用它。

　　光轉(zhuǎn)換板以及壓電和熱換能器的發(fā)展，正逐漸讓高效收集微能源成為可能。例如，室內(nèi)光伏采集器的收集效率有望增加一倍，200 lux條件下從每平方厘米10微瓦增加到20微瓦。電池的發(fā)展，讓能源存儲更有效，實現(xiàn)穩(wěn)定的電壓電源，而超級電容器可以高效地存儲更多的能源，用于傳輸所需的高能脈沖。但是，最大的進(jìn)步仍然是有源電子器件，技術(shù)創(chuàng)新讓我們可以用更低的成本、更少的功耗做更多的事情。

　　在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)利用采集能源的ULP技術(shù)方面，TI發(fā)揮著領(lǐng)導(dǎo)作用。公司在為無線電話和其他移動系統(tǒng)提供組件方面具有悠久的歷史，這讓它擁有豐富的ULP設(shè)計經(jīng)驗。許多年以來，TI始終致力于推動數(shù)字信號處理器、微控制器、電源管理、信號轉(zhuǎn)換以及其他處理與模擬電路ULP性能的提高。TI技術(shù)資源包括低功耗晶體管的使用、高集成度、增強型電路功效設(shè)計、軟件和傳輸技術(shù)。

　　永久性電子設(shè)備的世界

　　用于能源采集系統(tǒng)時，TI的ULP系列產(chǎn)品提供一整套信號鏈產(chǎn)品，包括低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、TMS320數(shù)字信號處理器以及MSP430微控制器，在16位器件中，擁有最低的功耗（請參見圖1）。另外，在太陽能、運動能和熱能采集系統(tǒng)中，電源管理IC（例如：超微功耗bq25504升壓充電器）為電池和超級電容器提供優(yōu)異的充電管理。bq25504中內(nèi)置的功能包括最大功耗點追蹤（MPPT），它對采集器的能源收集進(jìn)行優(yōu)化。這些產(chǎn)品和其他ULP產(chǎn)品，反映了TI長期致力于為實現(xiàn)移動性和高能源效率而不斷進(jìn)行低功耗設(shè)計創(chuàng)新的決心。

　　圖1 能源采集要求為所有信號鏈和電源管理級使用超低功耗組件

　　盡管大規(guī)模太陽能、風(fēng)能和潮汐能發(fā)電廠的發(fā)展吸引了公眾的關(guān)注，但在我們的周圍，進(jìn)行微型自然能源采集的一些小型系統(tǒng)正在穩(wěn)步增長。這些設(shè)備正迅速地?fù)碛杏谰眯曰蛘呓谰眯怨ぷ鞯哪芰?，它們在我們的家里、辦公室、工廠、公路、醫(yī)院甚至是人體內(nèi)部的應(yīng)用中，扮演著越來越重要的角色。能源收集和存儲技術(shù)的發(fā)展推動這些應(yīng)用的增長，但其最大的推動力卻是超低功耗電子電路的快速發(fā)展。作為ULP技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，TI在推動處于萌芽狀態(tài)的永久性工作設(shè)備的廣泛使用方面，發(fā)揮著重要的作用。

——本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)3月份《電源技術(shù)特刊》"Change The World"欄目，轉(zhuǎn)載請注明出處，違者必究！