医疗可穿戴设计推动能量收集的改进

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医用可穿戴设备是可穿戴设备，可以检测、存储和传输实时测量的重要参数（如心率、氧饱和度和呼吸频率），以报告克服某些关键阈值的情况。根据 Frost & Sullivan 的分析——“临床和消费者健康中的可穿戴技术”——全球医疗领域的可穿戴设备市场将在 2020 年达到 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，不受能源消耗的限制。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。

摩擦起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，在开发称为摩擦电纳米发电机 （TENG） 的摩擦电能量收集系统方面取得了进展。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（见下图）。

TENG的调理电路；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，如上图所示。在开关与负载电阻R之间依次增加了二极管D1、串联电感L和电容C。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来实现，以集成自管理机制。

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，例如宇宙飞船，它们收集放射性物质供应衰变释放的热量。

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。

振动能量振动能量收集使用与旋转机器（如电动机）或人体运动相关的自然低电平源来产生数百微瓦或单个毫瓦。

使用的压电换能器是非对称晶体的一个子类。材料单晶胞中的不对称性建立了使晶体变形导致电位差很小的机制。

然而，要“调整”压电换能器的特性，必须充分了解振动物体的频率分布并找到其共振频率。对于某些应用，例如电机，振动的特性和共振频率是众所周知的。对于其他人来说，获得足够的了解需要用加速度计测量物体的振动，并分析通过快速傅里叶变换 （FFT） 获得的数据的频率特性，以找到共振频率。

射频能量射频 （RF） 无线能量收集为延长便携式设备的电池寿命提供了潜力。电磁波来自多种来源，例如卫星站、GSM 和无线互联网。射频能量收集系统可以捕获电磁能量并将其转换为可用的恒流电压。主要布局由天线和整流电路组成，可将射频功率或交流电 （CA） 转换为恒流信号。阻抗匹配网络 （IMN） 确保射频源和负载之间的最大功率传输。　　

      审核编辑：彭静