超低功耗可穿戴醫(yī)療設(shè)備的四種能量采集方法

電池供電聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的主要挑戰(zhàn)之一是自主性。更大的電池容量、更長的電池壽命，而電池體積卻不能增大，諸如此類的需求越來越多。例如有一些可穿戴設(shè)備可能是醫(yī)療植入物，這種設(shè)備不可能采用笨重的電池。電池技術(shù)正通過利用能量收集來滿足這越來越多的需求。

對于具有較小外形尺寸的設(shè)備，例如猛增的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備，能量收集具有令人難以想象的優(yōu)勢。這些小型設(shè)備通常只需要很小的電流，從各種來源收集能量可能是一個極具價值的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

可穿戴醫(yī)療解決方案

用于醫(yī)療用途的可穿戴設(shè)備通常用于檢測、存儲和傳輸實(shí)時測量的人體重要參數(shù)（例如心率、氧飽和度、呼吸速率），以報告某些關(guān)鍵指標(biāo)的臨界超標(biāo)狀況。根據(jù)Frost＆Sullivan發(fā)表的“臨床和消費(fèi)者健康中的可穿戴技術(shù)”一文中的分析，2020年全球醫(yī)療領(lǐng)域的可穿戴設(shè)備市場將達(dá)到189億美元。

能量收集解決方案已被設(shè)計(jì)為電池的輔助電源，或作為不受能耗限制的可穿戴設(shè)備永久使用的獨(dú)立電源。但能量收集同時被認(rèn)為是不可靠的能量來源，因?yàn)楦鶕?jù)環(huán)境條件的變化，能量的可用性會隨著時間的推移而顯著變化。因此可以將諸如振動、熱或太陽能等能量收集源與可充電電池結(jié)合起來使用。

摩擦電效應(yīng)

摩擦起電是兩種不同材料在接觸和分離時產(chǎn)生表面電荷的過程。在其接觸過程中，每種材料都會產(chǎn)生一種極性相反的電荷。近年來，在開發(fā)摩擦電能量收集系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了進(jìn)展，比如摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）。這些系統(tǒng)需要的最基本部件包括：至少兩層摩擦電材料、它們之間的物理隔離、用于收集電能的電極、以及用來最大化收集效率的調(diào)節(jié)電路（圖1）。

圖1：TENG調(diào)節(jié)電路；t1表示開關(guān)閉合時（能量由LC單元存儲），t2表示開關(guān)打開時（能量由LC單元釋放）。

如圖1所示，TENG中傳統(tǒng)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器與AC-DC降壓轉(zhuǎn)換電路耦合。在開關(guān)和負(fù)載電阻R之間，依次添加二極管D1、串聯(lián)電感器L和電容器C。開關(guān)不僅用于最大化能量傳輸，還用于將輸入降壓發(fā)送到電路。該開關(guān)可以通過帶有MOSFET的微功率電壓比較器來實(shí)現(xiàn)，以集成自我管理機(jī)制。

熱能

熱能收集是指捕獲環(huán)境中隨處可得的熱量，或收集發(fā)動機(jī)、人體和其他來源排出的廢能并重新投入使用的過程。通過塞貝克效應(yīng)（Seebeck）可以實(shí)現(xiàn)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的熱電裝置誘發(fā)的熱流產(chǎn)生電壓和電流。PN結(jié)是熱電發(fā)電機(jī)（TEG）的基本部件，它由P型和N型的單一結(jié)構(gòu)熱電材料組成，多個PN結(jié)串聯(lián)起來構(gòu)成TEG。

如果將多個PN電、熱學(xué)并聯(lián)，可以構(gòu)建典型的TEG模塊，產(chǎn)生與熱梯度成比例的電壓。熱電或TEG發(fā)電模塊已經(jīng)用于多項(xiàng)應(yīng)用中，例如宇宙飛船，它們收集由放射性物質(zhì)衰變所釋放的熱能。

可穿戴醫(yī)療電子產(chǎn)品這個新興領(lǐng)域也在通過體溫加熱裝置提供熱電，從而為能量收集提供了巨大潛力。

振動能量

振動能量收集，是利用旋轉(zhuǎn)機(jī)器（例如電動機(jī)）或人體運(yùn)動產(chǎn)生的相關(guān)自然低電平電源，它們可以產(chǎn)生數(shù)百微瓦或一毫瓦的能量。

振動能量收集所使用的壓電傳感器是一種不對稱晶體。這種材料的晶格單元具有不對稱性，可以建立這樣一種機(jī)制，即通過使晶體變形而造成小電位差。

但是，為了“調(diào)整”壓電傳感器的特性，必須充分了解振動物體的頻率分布并找到其諧振頻率。對于諸如電動機(jī)這類應(yīng)用，振動特性和諧振頻率是眾所周知的。對于其它應(yīng)用，要充分理解就需要采用加速度計(jì)測量物體的振動，并通過快速傅里葉變換（FFT）獲得的數(shù)據(jù)分析其頻率特性，從而找到諧振頻率。

射頻能量

RF無線能量收集可以為便攜式設(shè)備提供更長的電池壽命。電磁波來自各種源，如衛(wèi)星站、GSM和無線互聯(lián)網(wǎng)。射頻能量收集系統(tǒng)可以捕獲電磁能量并將其轉(zhuǎn)換為可用的CC電壓，其主要布局由天線和整流器電路組成，整流器電路用于將RF功率或交流電（CA）轉(zhuǎn)換為CC信號。另外阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)（IMN）用來確保RF源和負(fù)載之間的最大功率傳輸。

電源管理

電源管理在小型和可穿戴集成系統(tǒng)中尤為重要，例如醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備、對象跟蹤系統(tǒng)以及其它需要低配置且經(jīng)濟(jì)高效的移動計(jì)算解決方案的應(yīng)用。目前的趨勢仍然是使用超級電容器，它提供一種基于納米技術(shù)的存儲能量新方法。與電池不同，超級電容器可在幾秒鐘內(nèi)充電，并可承受近乎無限的充電周期。超級電容器的能量密度高于標(biāo)準(zhǔn)電容器，但低于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)電池（圖2）。

圖2：BestCap - BZ系列超級電容器。（來源：AVX）

LTC3109是一款高度集成的DC/DC轉(zhuǎn)換器，非常適用于淺輸入電壓源的能量收集，如TEG（熱電發(fā)電機(jī)）和熱電堆。無論極性如何，它允許輸入電壓高達(dá)30 mV。當(dāng)輸入電壓源不可用時，也可以對存儲電容器（或電池）充電以供電。其淺靜態(tài)電流和高效率最大化了應(yīng)用中可用的能量收集（圖3）。

圖3：LTC3109典型應(yīng)用。 （來源：ADI公司）

MAX17710是一款完整的能量充電系統(tǒng)，能夠處理調(diào)節(jié)不良的信號源，范圍從1μW到100 mW。該器件還包括一個升壓調(diào)節(jié)器電路，可從0.75 V（頂端）開始為電池充電。另有一個內(nèi)部穩(wěn)壓器可保護(hù)電池免于過載。提供給目標(biāo)應(yīng)用的輸出電壓由一個可調(diào)線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，其低壓差（LDO）可調(diào)，可選電壓為3.3 V、2.3 V或1.8 V（圖4）。

圖4：簡化的MAX17710工作電路。 （來源：Maxim Integrated）

SPV1050是意法半導(dǎo)體的一款I(lǐng)C，可以為任何電池充電，包括薄膜電池。其電源管理同時適用于光伏電池和TEG采集源，因?yàn)樗�涵蓋了75 mV至18 V的輸入電壓范圍，確保了降壓 - 升壓和升壓配置的高效率（圖5）。

圖5：SPV1050原理框圖。

AEM40940是一個能量管理子系統(tǒng)，它與整流器集成，從環(huán)境RF波中提取交流電，同時將能量存儲到可充電元件和供電系統(tǒng)中，該系統(tǒng)具有兩個獨(dú)立的穩(wěn)壓電壓。采用該器件，設(shè)計(jì)人員可以延長各種可穿戴設(shè)備的使用壽命（圖6）。

圖6：AEM40940的電路布局。 （來源：E-Peas Semiconductors）

AEM40940可收集高達(dá)10 dBm的可用輸入功率，并集成了一個超低功耗整流器和一個升壓轉(zhuǎn)換器。其配置引腳通過設(shè)置存儲元件的預(yù)置條件來確定各種操作模式。

結(jié)論

從各種來源收集的能量將用于給超級電容器和/或可充電/薄膜電池充電，從而可以充當(dāng)負(fù)載的恒定能量源。但是，交流或直流電壓可用的能量收集必須轉(zhuǎn)換為模擬和數(shù)字組件的適當(dāng)直流電平。電子設(shè)計(jì)人員面臨的主要障礙之一是可用儲能技術(shù)的選擇有限。微電子能源收集正在開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，將對物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。