實現(xiàn)所謂的零功率傳感器將需要從環(huán)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(biāo)準(zhǔn)將是可用能源的數(shù)量和所需的能源數(shù)量。太陽能和風(fēng)能收集可為大功率解決方案提供堅實的基礎(chǔ)。熱量通常作為來自發(fā)動機、機器和其他來源的廢物副產(chǎn)品很容易獲得。熱梯度收集是捕獲環(huán)境熱量并將其投入使用的過程。在利用環(huán)境現(xiàn)象獲取能量的眾多方法中，使用壓電設(shè)備將振動轉(zhuǎn)換為電能似乎特別有效，根據(jù)尺寸和結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生數(shù)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(shù)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(xiàn)。

“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(chuàng)始人兼首席技術(shù)官 Alfred Piggott 說。“使用這些材料，熱電發(fā)電機可以在設(shè)計合理的熱電發(fā)電機的理想應(yīng)用中實現(xiàn)高達(dá) 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(fā)電機的應(yīng)用、預(yù)算和設(shè)計。”

理想的熱電材料應(yīng)具有低熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率和高塞貝克系數(shù)。用于能量收集的熱電效應(yīng)歸功于 Thomas Johann Seebeck。在熱電裝置中，當(dāng)不同溫度結(jié)合時會產(chǎn)生電壓。同樣，施加電壓時也會產(chǎn)生溫差。材料或器件在單位溫度下產(chǎn)生電壓的能力稱為塞貝克效應(yīng)。

通常用于創(chuàng)建 p 和 n 區(qū)域的材料(碲化鉍，或 Bi2Te3)可實現(xiàn)每個電池 0.2 mV/K 的輸出電壓，而如果熱電轉(zhuǎn)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(fā)生器表示，可以提供給負(fù)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(dǎo)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(dá)到熱平衡，并可用于收集可重復(fù)使用的能量。從熱交換中提取能量的過程受熱力學(xué)定律支配。

電源管理 IC

溫差可用于發(fā)電。太陽能熱和地?zé)嵯到y(tǒng)產(chǎn)生的廢熱，甚至家用電器的排放流都可以被收集起來。

假設(shè)我們使用電池供電的無線物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這些設(shè)備在人體、烤箱和電機產(chǎn)生熱梯度的環(huán)境中運行。如果沒有能量收集，此類設(shè)備的電池需要更換，因為它們會釋放能量。這會產(chǎn)生運營成本。根據(jù)可用的溫度梯度，熱電發(fā)電機 (TEG) 可產(chǎn)生 20 μW/cm2 至 10 mW/cm2 的功率。TEG 和壓電傳感器與 PMIC 相結(jié)合可以為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(tǒng)的設(shè)計考慮因素“包括電氣和熱能要求、熱電材料、特定應(yīng)用的考慮因素、耐用性目標(biāo)、銷售價格和工程預(yù)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(chǎn)生振動。鑒于世界高速公路上的汽車數(shù)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(tǒng)，用于對微功率存儲電池進行充電和保護，并且可以管理調(diào)節(jié)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(shè)備。

e-peas 的 AEM30940 集成能源管理子系統(tǒng)從 TEG、壓電發(fā)電機、微型渦輪發(fā)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(tǒng)提供兩個獨立的穩(wěn)壓電壓。PMIC 集成了一個超低功率升壓轉(zhuǎn)換器，可為鋰離子電池、薄膜電池或超級電容器或傳統(tǒng)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(yīng)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(fā)生器進行了優(yōu)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(zhuǎn)換器，可將輸入端存儲設(shè)備的能量傳輸?shù)侥軌驗楦哌_(dá) 100 mA 的負(fù)載供電的穩(wěn)壓輸出端。它采用 3 × 3-mm DFN 或 10 導(dǎo)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(fā)生器進行了優(yōu)化(圖片：Analog Devices)

為了有效地設(shè)計完全自主的無線傳感器系統(tǒng)，您需要低功耗微控制器和傳感器，在低能耗環(huán)境中消耗最少的電量。此類系統(tǒng)的電源解決方案可能包括存儲傳感器本身的本地環(huán)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(shù)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(zhì)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(huán)。

審核編輯：湯梓紅