在可穿戴医疗设备设计中采用能量收集

电池供电的连接设备的主要挑战之一是自主性。越来越多的人需要更大的电池功率或更长的电池寿命，但不支持更大的电池。例如，一些可穿戴设备可能是医疗植入物；笨重的电池不太可能成为此类设备的选择。电池技术通过利用能量收集来跟上。

对于具有小外形尺寸的设备，例如在物联网 （IoT） 中激增的设备，能量收集可能是一个令人难以置信的优势。这些小型设备通常只需要极少量的电流，从各种来源收集能量可能是一个有价值的设计元素。

可穿戴医疗解决方案

用于医疗用途的可穿戴设备是可以检测、存储和传输实时测量的重要参数（如心率、氧饱和度、呼吸频率）以报告克服某些关键阈值的可穿戴设备。根据 Frost & Sullivan 的《临床和消费者健康中的可穿戴技术》分析，2020 年全球医疗领域的可穿戴设备市场将达到 189 亿美元。

能量收集解决方案被设计为电池的辅助电源，或作为可穿戴设备永久使用的独立电源，不受能耗限制。能量收集被认为是一种不可靠的来源，因为根据环境条件，能量的可用性会随着时间的推移而发生很大变化。可以将能量收集源（如振动、热或太阳能）与可充电电池相结合。

摩擦电效应

接触带电是一种在两种不同材料接触和分离时产生表面电荷的过程。在此接触期间，每种材料都会产生相反极性的电荷。近年来，摩擦电能量收集系统的开发取得了进展，称为摩擦电纳米发电机 （TENG）。这些系统需要最少的基本组件：至少两层摩擦电材料，它们之间的物理分离，以及用于收集电力的电极，以及一个调节电路以最大限度地提高收集效率（图 1）。

图 1：TENG 的调节电路；t1 是开关闭合时（LC 单元存储的能量），t2 是开关打开时（LC 单元释放的能量）。

经典的DC-DC降压转换器与TENG的AC-DC降压转换电路耦合，如图1所示。在开关和负载电阻R之间，二极管D1、串联电感L和电容器C是依次添加。该开关不仅用于最大化能量传输，还用于将输入降压转换为电路。开关可以通过带有MOSFET的微功率电压比较器集成自我管理机制来实现

热能

热能收集是捕获环境中可自由获得的热量或代表发动机、人体和其他来源排放的废能并将其投入使用的过程。热能直接转化为电能可以通过塞贝克效应实现，其中通过适当设计的热电装置感应的热流产生电压和电流。PN 对是热电发电机 （TEG） 的基本组件，由 P 型和 N 型热电材料的单一结构组成，每一个都以串联方式电连接。

通过将许多 PN 对在电气和热方面并联，可以构建一个典型的 TEG 模块，该模块产生与热梯度成比例的电压。热电或 TEG 发电模块已经在许多应用中使用，例如太空船，它们收集放射性物质供应衰变所散发的热量。

新兴的医疗可穿戴电子产品领域还通过为设备提供体温来收集热电能量。

审核编辑：郭婷