基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電為低功耗可穿戴永續(xù)供電

人類對(duì)于科技改善生活的探索從來(lái)沒(méi)有停止，而在古代的人類則因?yàn)榭茖W(xué)知識(shí)的欠缺，有不少人陷于并不可行的，今天看起來(lái)明顯違背科學(xué)常識(shí)的“科技探索”，大概“永動(dòng)機(jī)”是其中最常見(jiàn)的人類普遍“迷思”——一種不需要外界輸入能量或者只需要一個(gè)初始能量就可以永遠(yuǎn)做功的機(jī)器。

在歷史上，永動(dòng)機(jī)一直被人們討論和研究，但是，很多人并不清楚這背后到底有什么意義。在人們的想象中，永動(dòng)機(jī)是一種機(jī)械裝置，它可以不停地自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。13世紀(jì)就有人就試圖想制造這種機(jī)械裝置，但是直到21世紀(jì)也沒(méi)有人真正制造出來(lái)。

科學(xué)常識(shí)豐富的當(dāng)下，人們當(dāng)然明白這種機(jī)械是不可能制造出來(lái)的，原因是違反能量守恒定律和熱力學(xué)定律。然而，今天領(lǐng)先的環(huán)境能量采集技術(shù)賦能下，一些看起來(lái)更像“永動(dòng)機(jī)”的電子系統(tǒng)卻在生活或工業(yè)領(lǐng)域獲得普及應(yīng)用，本文以ADI公司的環(huán)境能量采集技術(shù)的三個(gè)應(yīng)用案例，解讀基于能量采集解決方案的現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)“永動(dòng)機(jī)”的方案思路。

微功耗能源采集技術(shù)讓電力線監(jiān)測(cè)一直在線

電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集的最常見(jiàn)應(yīng)用場(chǎng)景之一是被稱為故障指示器的節(jié)點(diǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)用電線路故障發(fā)生時(shí)，它會(huì)檢測(cè)并發(fā)送警報(bào)，使得線路工作人員能夠在最短時(shí)間內(nèi)檢修故障設(shè)備。過(guò)去因?yàn)殡娏镜念A(yù)算和資源有限，面對(duì)高昂的累計(jì)采購(gòu)成本和大量的經(jīng)常性維護(hù)工作，往往無(wú)法在龐大的電力基礎(chǔ)設(shè)施中部署更多故障指示器。

為解決上述難題，ADI開(kāi)發(fā)了一種新型線路傳感器架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有效的環(huán)境能量收集并管理多個(gè)電源，通過(guò)優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現(xiàn)了超過(guò)90％的功率轉(zhuǎn)換效率。此外，具有寬動(dòng)態(tài)范圍和高壓擺率的低功耗運(yùn)算放大器支持羅氏線圈架構(gòu)，并以電流測(cè)量精度將磁場(chǎng)干擾降至最低，集成的ISM波段收發(fā)器執(zhí)行RF通信并支持傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。該解決方案主要優(yōu)勢(shì)是能高效采集電能，而且只需更少的維護(hù)，并支持系統(tǒng)更快啟動(dòng)、功耗更低和運(yùn)行更平穩(wěn)。

其中核心芯片是ADP5091，提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級(jí)別。利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。

額外的150mA調(diào)節(jié)輸出可通過(guò)外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過(guò)檢測(cè)輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內(nèi)，從而保持穩(wěn)定的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。在OCV動(dòng)態(tài)檢測(cè)模式和非檢測(cè)模式下，輸入電壓的編程調(diào)節(jié)點(diǎn)允許最大限度地提取采集器的能量。

基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電為低功耗可穿戴永續(xù)供電

溫差發(fā)電的工作原理基于塞貝克效應(yīng)，通常由數(shù)百個(gè)N型和P型材料的柱體結(jié)構(gòu)組成的熱電發(fā)生器，從電路上看它們通過(guò)串聯(lián)方式增加溫差電勢(shì)，而在傳熱方面通過(guò)并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當(dāng)器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅(qū)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)并在回路中形成溫差電流，以此來(lái)輸出功率。

利用由系統(tǒng)內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運(yùn)作尤其是低功耗電路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，讓一些無(wú)法使用電池，或是電力線的低功耗應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，甚至可以利用人體熱量為穿戴設(shè)備的傳感器供電。

以ADI高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3108為例，其非常適合于收集和管理來(lái)自諸如TEG、熱電堆和小型太陽(yáng)能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個(gè)3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產(chǎn)生3.3伏電壓，在10度溫差時(shí)，大概就能產(chǎn)生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。

如果將其用于可穿戴設(shè)備，人體的體表溫度可能有35度，即使環(huán)境溫度有25度，也能有10度的溫差，更大溫差能夠產(chǎn)生更大的功率，而且是可以持續(xù)不斷的為可穿戴設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)真正的“免充電”。

采集環(huán)境無(wú)線電能量的無(wú)電池供電解決方案

無(wú)線功率傳輸（WPT）系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射（Tx）電路（包括發(fā)射線圈）和接收（Rx）電路（包括接收線圈）。與典型的變壓器系統(tǒng)非常相似，發(fā)射線圈中產(chǎn)生的交流電通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統(tǒng)不同的是，原邊（發(fā)射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

目前大多數(shù)無(wú)線功率傳輸應(yīng)用都采用無(wú)線電池充電器配置。但是，如果特定應(yīng)用根本沒(méi)有電池，取而代之的是，當(dāng)無(wú)線電源可用時(shí)，只需提供一個(gè)穩(wěn)壓的電壓軌，遠(yuǎn)程傳感器、計(jì)量、汽車診斷和醫(yī)療診斷領(lǐng)域，此類應(yīng)用的例子極為常見(jiàn)。如果該遠(yuǎn)程傳感器僅需要用戶在其附近時(shí)給出讀數(shù)，則可按需進(jìn)行無(wú)線供電。

LTC3588-1就是一款納安功耗能量收集電源解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化，適合于無(wú)線電波環(huán)境能量采集。它內(nèi)置了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，用于將能量從一個(gè)輸入存儲(chǔ)器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個(gè)可支持高達(dá) 100mA 負(fù)載的穩(wěn)定電壓。下圖顯示了采用LTC3588-1的完整發(fā)射端和接收端WPT解決方案（值得一提的是，該方案供電的距離適合2mm以內(nèi)的應(yīng)用）。

WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌

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