电路设计：超低功耗可穿戴医疗设备的四种能量采集方法

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电池供电联网设备的主要挑战之一是自主性。更大的电池容量、更长的电池寿命，而电池体积却不能增大，诸如此类的需求越来越多。例如有一些可穿戴设备可能是医疗植入物，这种设备不可能采用笨重的电池。电池技术正通过利用能量收集来满足这越来越多的需求。

对于具有较小外形尺寸的设备，例如猛增的物联网(IoT)设备，能量收集具有令人难以想象的优势。这些小型设备通常只需要很小的电流，从各种来源收集能量可能是一个极具价值的设计要点。

可穿戴医疗解决方案

用于医疗用途的可穿戴设备通常用于检测、存储和传输实时测量的人体重要参数（例如心率、氧饱和度、呼吸速率），以报告某些关键指标的临界超标状况。根据Frost＆Sullivan发表的“临床和消费者健康中的可穿戴技术”一文中的分析，2020年全球医疗领域的可穿戴设备市场将达到189亿美元。

能量收集解决方案已被设计为电池的辅助电源，或作为不受能耗限制的可穿戴设备永久使用的独立电源。但能量收集同时被认为是不可靠的能量来源，因为根据环境条件的变化，能量的可用性会随着时间的推移而显著变化。因此可以将诸如振动、热或太阳能等能量收集源与可充电电池结合起来使用。

摩擦电效应

摩擦起电是两种不同材料在接触和分离时产生表面电荷的过程。在其接触过程中，每种材料都会产生一种极性相反的电荷。近年来，在开发摩擦电能量收集系统方面已经取得了进展，比如摩擦电纳米发电机（TENG）。这些系统需要的最基本部件包括：至少两层摩擦电材料、它们之间的物理隔离、用于收集电能的电极、以及用来最大化收集效率的调节电路（图1）。

图1：TENG调节电路；t1表示开关闭合时（能量由LC单元存储），t2表示开关打开时（能量由LC单元释放）。

如图1所示，TENG中传统DC-DC降压转换器与AC-DC降压转换电路耦合。在开关和负载电阻R之间，依次添加二极管D1、串联电感器L和电容器C。开关不仅用于最大化能量传输，还用于将输入降压发送到电路。该开关可以通过带有MOSFET的微功率电压比较器来实现，以集成自我管理机制。

热能

热能收集是指捕获环境中随处可得的热量，或收集发动机、人体和其他来源排出的废能并重新投入使用的过程。通过塞贝克效应（Seebeck）可以实现将热能直接转换成电能，通过适当设计的热电装置诱发的热流产生电压和电流。PN结是热电发电机（TEG）的基本部件，它由P型和N型的单一结构热电材料组成，多个PN结串联起来构成TEG。

如果将多个PN电、热学并联，可以构建典型的TEG模块，产生与热梯度成比例的电压。热电或TEG发电模块已经用于多项应用中，例如宇宙飞船，它们收集由放射性物质衰变所释放的热能。

可穿戴医疗电子产品这个新兴领域也在通过体温加热装置提供热电，从而为能量收集提供了巨大潜力。

振动能量

振动能量收集，是利用旋转机器（例如电动机）或人体运动产生的相关自然低电平电源，它们可以产生数百微瓦或一毫瓦的能量。

振动能量收集所使用的压电传感器是一种不对称晶体。这种材料的晶格单元具有不对称性，可以建立这样一种机制，即通过使晶体变形而造成小电位差。

但是，为了“调整”压电传感器的特性，必须充分了解振动物体的频率分布并找到其谐振频率。对于诸如电动机这类应用，振动特性和谐振频率是众所周知的。对于其它应用，要充分理解就需要采用加速度计测量物体的振动，并通过快速傅里叶变换（FFT）获得的数据分析其频率特性，从而找到谐振频率。

射频能量

RF无线能量收集可以为便携式设备提供更长的电池寿命。电磁波来自各种源，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CC电压，其主要布局由天线和整流器电路组成，整流器电路用于将RF功率或交流电（CA）转换为CC信号。另外阻抗匹配网络（IMN）用来确保RF源和负载之间的最大功率传输。

电源管理

电源管理在小型和可穿戴集成系统中尤为重要，例如医疗监控设备、对象跟踪系统以及其它需要低配置且经济高效的移动计算解决方案的应用。目前的趋势仍然是使用超级电容器，它提供一种基于纳米技术的存储能量新方法。与电池不同，超级电容器可在几秒钟内充电，并可承受近乎无限的充电周期。超级电容器的能量密度高于标准电容器，但低于物联网系统中使用的标准电池（图2）。

图2：BestCap  -  BZ系列超级电容器。（来源：AVX）

LTC3109是一款高度集成的DC/DC转换器，非常适用于浅输入电压源的能量收集，如TEG（热电发电机）和热电堆。无论极性如何，它允许输入电压高达30 mV。当输入电压源不可用时，也可以对存储电容器（或电池）充电以供电。其浅静态电流和高效率最大化了应用中可用的能量收集（图3）。

图3：LTC3109典型应用。 （来源：ADI公司）

MAX17710是一款完整的能量充电系统，能够处理调节不良的信号源，范围从1μW到100 mW。该器件还包括一个升压调节器电路，可从0.75 V（顶端）开始为电池充电。另有一个内部稳压器可保护电池免于过载。提供给目标应用的输出电压由一个可调线性稳压器调节，其低压差（LDO）可调，可选电压为3.3 V、2.3 V或1.8 V（图4）。

图4：简化的MAX17710工作电路。 （来源：Maxim Integrated）

SPV1050是意法半导体的一款IC，可以为任何电池充电，包括薄膜电池。其电源管理同时适用于光伏电池和TEG采集源，因为它涵盖了75 mV至18 V的输入电压范围，确保了降压 - 升压和升压配置的高效率（图5）。

图5：SPV1050原理框图。

AEM40940是一个能量管理子系统，它与整流器集成，从环境RF波中提取交流电，同时将能量存储到可充电元件和供电系统中，该系统具有两个独立的稳压电压。采用该器件，设计人员可以延长各种可穿戴设备的使用寿命（图6）。

图6：AEM40940的电路布局。 （来源：E-Peas Semiconductors）

AEM40940可收集高达10 dBm的可用输入功率，并集成了一个超低功耗整流器和一个升压转换器。其配置引脚通过设置存储元件的预置条件来确定各种操作模式。

结论

从各种来源收集的能量将用于给超级电容器和/或可充电/薄膜电池充电，从而可以充当负载的恒定能量源。但是，交流或直流电压可用的能量收集必须转换为模拟和数字组件的适当直流电平。电子设计人员面临的主要障碍之一是可用储能技术的选择有限。微电子能源收集正在开辟新的应用领域，将对物联网的发展产生重大影响。