|
“微型能量采集”技術(shù)，顧名思義就是將身邊的能量收集起來(lái)。通俗來(lái)講，就是利用振動(dòng)、光、熱以及電磁波，“收獲”在我們身邊的小能量。這種技術(shù)將“丟棄循環(huán)再利用”這個(gè)概念進(jìn)行了非常形象的闡述。 從廣義上講，能夠采集的能源包括各種來(lái)源，比如動(dòng)能（風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等）、電磁能（光伏、電磁波等）、熱能（太陽(yáng)熱能、地熱、溫度變化、燃燒等）、原子能（原子核能、放射性衰變等）或生物能（生物燃料、生物質(zhì)能等）。就如上面圖1顯示，我們生活周?chē)泻芏嗄茉磥?lái)源，例如汽車(chē)的振動(dòng)和散熱，基站的電磁波，大自然的風(fēng)能等。那么對于這些能源來(lái)說(shuō)，我們將他們采集的意義為何？如何采集？又如何利用呢？ 意義 有人舉出很多例子來(lái)證明能源采集的好處，其實(shí)我有幾個(gè)很簡(jiǎn)單的例子可以描述一下。假如你離可以供電的設備非常遠，恰好你身邊的筆記本、手機等終端都沒(méi)有電了，此時(shí)你應該怎么辦？這個(gè)時(shí)候你就會(huì )在心里想是否還有比電池解決方案更好的供電方案呢？ 現在能源采集技術(shù)廣泛而多樣化，我們今天講到的微型能源采集技術(shù)就是一個(gè)比較明確的可替代電池的細分市場(chǎng)。 其實(shí)這種能源采集的技術(shù)已經(jīng)有一些產(chǎn)品的應用。例如最基礎的太陽(yáng)能充電計算器，心臟起搏器利用心跳采集能量供電，一些運動(dòng)手表利用人體的運動(dòng)振動(dòng)轉化成為手表的電能，無(wú)線(xiàn)電廣播產(chǎn)品采用振動(dòng)能為無(wú)線(xiàn)電系統供電，醫用測量?jì)x器利用手持振動(dòng)對儀器蓄電，在這些例子里，不難看到傳感器的應用。當然傳感轉換技術(shù)只是整個(gè)能量采集系統的一部分。有效的能源采集系統包括非常多的組件，如電源管理芯片（DC-DC，PMIC）、超低功耗微處理器 (MCU)、超低功耗存儲器件比如鐵電存儲器（FRAM）以及RF模塊。 不一樣的“目標” 像上圖所畫(huà)，富士通半導體一直在設想有哪些解決方案可以使這些生活中隨處可見(jiàn)的能源被收集起來(lái)。生活中，我們可以知道水管理系統是使用液壓動(dòng)力，因為我們知道沒(méi)有電網(wǎng)會(huì )存在于水的周?chē)�；我們也知道遠距離車(chē)鎖這種技術(shù)等等。日常生活中，這些應用如果你使用電池，你就需要手動(dòng)更換電池。電池確實(shí)是非常便宜，但是基礎設施變動(dòng)的費用將會(huì )是非常昂貴的。那么，此時(shí)能源采集方案就是解決方案。 沒(méi)有電池的遙控器像一個(gè)傳感器節點(diǎn)，可以感受光、溫度和濕度。這個(gè)系統現在被用在家庭能源管理系統以及建筑節能管理系統。在這個(gè)系統里，本地定位系統與太陽(yáng)能電池相互連接，形成一個(gè)GPS，它可以連接智能手機，你就可以隨時(shí)知道你的家人在哪里。 富士通半導體現在就在做著(zhù)這些… … 抽象到形象再到實(shí)物 就像上面介紹的，實(shí)際的微型能源采集方案不一定是真正在外部展示的實(shí)物，但是，運用到這種技術(shù)的實(shí)物，那是很多的。 一個(gè)典型的能量收集系統或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) （WSN）系統是 由四部分組成，如圖3 所示。它們分別為能量源（環(huán)境）；能量轉換；電源管理芯片（PMIC）；把節點(diǎn)與接收端結合的部分（由傳感器，MCU，FRAM組成，負責處理測量數據并將數據儲存儲），以及由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，用于能量最終的傳遞接收。 對于工程設計人員來(lái)說(shuō)，能量采集技術(shù)實(shí)現的設計環(huán)境與以往有很大不同。設計人員必須清楚如何選擇合適的IC來(lái)設計自己的電路。在微型能源采集過(guò)程中，對IC的要求也會(huì )較高，而在這時(shí)，亞微米器件以及微米器件將獨顯優(yōu)勢。 富士通半導體最新推出了能量采集電源管理集成電路系列。這個(gè)系列的集成電路是用來(lái)進(jìn)行光源/振動(dòng)能量管理的超低功耗電路。集成電路包含用于光能/振動(dòng)電源管理超低功耗的降壓DC/DC轉換器（Buck），以及能夠用于光源能量管理超低電壓啟動(dòng)的升壓DC/DC轉換器（Boost）。 超低功耗降壓DC/DC轉換器(Buck)是專(zhuān)為振動(dòng)或光源能量管理設計，可同時(shí)支持振動(dòng)及光能能量管理。圖4為這款降壓轉換器的原理圖。DC-DC內置全波橋式整流器，支持AC或者DC電壓輸入。該低功耗DC/DC降壓器使用富士通半導體最新超低功耗技術(shù)，顯著(zhù)降低其功耗；待機電流消耗：1.5 uA(S0 = S1 = S2 = 0 V，VIN = 4.0 V)；通過(guò)遲滯比較器法快速得到負載瞬態(tài)響應；輸入電壓范圍：2.7 V至21 V；可選擇的輸出電壓：1.8 V，2.5 V，3.3 V，3.6 V，4.1 V，4.6 V，5.0 V；輸出負載電流：100毫安(最大)；分流功能保護輸入 (VIN)少于20 V。 光源超低電壓升壓DC/DC轉換器是通過(guò)富士通半導體最新技術(shù)研發(fā)，可以在0.35 V的超低輸入電壓下啟動(dòng)。圖5 是這款升壓轉換器的原理圖。該芯片具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的特性，MPPT能夠實(shí)時(shí)偵測太陽(yáng)能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統以最高的效率對蓄電池充電。該轉換器具有以下特性：輸入電壓范圍：0.3 V至5.0 V；輸出電壓范圍：3.0 V至5.25 V；啟動(dòng)電壓(min)：0.35 V；無(wú)負載電流消耗：30 μA；充電器為單個(gè)或多個(gè)太陽(yáng)能電池；內置MPPT能夠高效；自動(dòng)脈波頻率調變，PWM操作效率高。 這款光源電源管理集成電路應用范圍非常廣，支持太陽(yáng)光、室內光等各種光源能量管理。電力發(fā)電、遠程控制、無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)控制等等，都能用到這個(gè)解決方案，富士通半導體在能量采集方面最大程度的為工程師提供了發(fā)展空間。對于綠色節能而言，富士通半導體非常期待最大限度的利用科學(xué)和自身的技術(shù)發(fā)展為能源再利用做出貢獻。當然，越是新型的能源，面臨的挑戰也就越大，但是我們堅信創(chuàng )新和機遇來(lái)源于挑戰。 |
