使用能量收集从可穿戴设备中获得优化的性能

随着物联网 (IoT) 生态系统的发展，包括可穿戴设备，能量收集作为一种满足新数字功能的能源需求、支持甚至取代一系列移动产品中的电池的方式引起了人们的关注。

可穿戴设备汇集了电子产品的不同方面：用于数据管理的微控制器 (MCU)；一种能源；用于心率监测的加速度计、陀螺仪和光学传感器等传感器；低功耗蓝牙和近场通信 (NFC) 等通信接口；和用于数据保护的加密技术。可穿戴设备应用正在对日常生活的许多方面产生影响。事实上，可穿戴设备正在推动下一次数字健康革命，其中智能和自动实时控制和监测将成为医疗保健应用程序最重要的范式。

向更小、更时尚的可穿戴设备发展的持续趋势需要对电源管理系统（电源管理集成电路或 PMIC）进行高效设计。电源管理是每个电子系统的核心。在可穿戴设备中，小尺寸可能无法使用大电池，并对创新的电源管理方法提出了要求。除了使用低功耗 MCU 之外，一个广为讨论的解决方案是采用从外部来源收集能量来为设备充电的技术。

更多能量

大多数低功耗可穿戴应用是由电池供电的远程传感器。电池的使用寿命很长，但最终需要更换，这会增加可穿戴设备在其使用寿命期间的运行成本，并且还会对环境产生影响。能量收集使低功率设备更加自给自足，并且在某些情况下提供了完全无电池运行的可能性。能源管理系统的组件应通过存储小能量包来提供高能效。效率确保能量收集电路吸收的能量远小于源捕获的能量。此外，由低功率电子设备调节的能量必须满足目标应用的功率要求。

降低能耗的努力已将微电子转向利用环境能源（如动能、太阳能、热能和射频 (RF) 能量）的超低功耗解决方案。充分利用这些资源并不容易。检测、控制和调节是决定能量收集系统整体效率的关键设计因素。

在地球的任何地方——我们宇宙的任何地方——都可以利用可用的温度梯度来为设备提供能量。塞贝克效应控制着发电的物理过程。该过程将热能（化学和机械等其他形式的能量的副产品）转化为具有特定功率的电信号。

当两根导体处于不同温度时，两端就会产生电位差。两个结之间产生的电压 V 取决于材料和温度，它是以下方程中塞贝克系数 S 的函数：

最大收集功率通过以下等式计算，其中 A = 材料的电阻率，l = 传感器的长度，T = 热 (h) 和冷 (c) 表面的温度：

热电模块正在进入市场，作为各种无线传感器和其他通信系统中的电池替代品。该模块可用于无法更换电池的地方，例如恶劣或危险的环境。可穿戴电子技术还提供了通过为设备提供体热来收集热电能的潜力。

图 1：RF 能量收集框图（图片：EE Times Europe）

RF 能量可以在各种频段中广播，例如 868 MHz、915 MHz、2.4 GHz 和 5.8 GHz，可从环境源作为电磁波获得。RF 能量收集（图 1）目前用于无数设备，包括手机和智能手机、基站、电视天线和 Wi-Fi 路由器。

机械能在自然界中存在于各种来源中——例如，存在于振动结构或沿结构流动的流体中。各种类型的传感器可用于收集能量并将其转换为电能。电磁振动换能器基于法拉第定律；也就是说，线圈的运动，通过垂直于它的恒定磁场，产生一个能够在连接到线圈头部的负载中循环电流的电场。压电换能器，特别是微机电系统 (MEMS) 实现，提供更高的功率密度。

图 2：人类的生物力学能量（图片：“Wearable Biomechanical Energy Harvesting Technologies”，Energies 2017, 10 [10], 1483）

对于可穿戴设备中的能量收集，压电元件通常设计为通过利用佩戴者移动或呼吸时发生的振动来产生能量（图 2）。开发这项技术的主要挑战是构建一种设备，该设备可以收集尽可能多的能量，同时对身体的自然功能的干扰最小。

来自 Energy Micro、Linear Technology 和 Würth Elektronik 的 Energy Harvesting Solution To Go 开发套件允许轻松访问能量收集技术，帮助开发人员为各种物联网生态系统设备（包括可穿戴设备）构建电源管理电路。

　　审核编辑：汤梓红