基于能量收集原理的可穿戴设备电路方案设计

2019年08月13日 作者:Teardown

过去几年里涌现出了大量可穿戴电子产品,所面临的共同难题之一就是电池使用寿命问题。 许多智能手表必须天天充电,而更多的专业健身设备虽然工作时间很长,但在功能和连接性方面仍存在不足。 由于越来越多地要求与互联网以及物联网中的其它设备连接,设计中的无线和计算元件对电源的要求也越来越高。 同样,节能显示器技术也在进步,而且对于更丰富的用户接口的不断需求正推高此类设备的电源要求。

该难题的解决方法之一就是增加从环境中收集能量的能量收集技术的使用。 这种方法可用于向电池提供稳定的涓流,从而延长可穿戴设备的充电间隔并以此提升终端设计的吸引力。

然而,使用这些技术是面临四个工程难题:电能的产生、电能的管理和存储、收集元件的尺寸以及成本。 多年以来,在新型能量收集方面已进行了大量研究,但大部分研究还未能推出可以上市的设备。

可穿戴设备本身就需要接近人体,这就提供了多种电能来源的获取途径,因此具有一些关键优势。

电能的产生

现有多种能从环境为可穿戴设备产生电能的方法,但在工程方面各有优劣。 其中,最成熟的一种便是多年来一直在为传统手表提供电力的太阳能技术。 太阳能电池,如 Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的器件,能直接利用日光供电,且现在已能利用室内照明供电。 正如 Silicon Labs 的开发套件展示的那样,这些器件使用小占空比,能产生足够的电能,驱动无线链路长达十五年。

此外,该评估板外形扁平,电池高度仅 0.17 mm,这是进行可穿戴设备设计时的另一关键注意事项。 此处的低功耗控制器——Si1012 无线 MCU 是关键器件,能保持仅消耗 50 nA 的低功耗状态。 能量收集电源在启用时的漏泄电流约 3 µA,且只需低至 50 勒克斯光照射太阳能电池即可抵消。 这使得能量收集电源能在长达七天的黑暗环境下向系统供电,或者如果有一个能补足损失能量的周期性光源,就能无期限期向为系统供电。 该系统在室内 200lx 和户外 10,000lx 光源下均能工作。

然而,这里关注的仅是无线连接而非系统总功耗要求。 对于进行定期测量并将测量值反馈回集线器的健身设备,这是一种理想的长使用寿命方法。

诸如智能开关等中央集线器需要较高电流,且其它技术正在评估之中。 其中的一项技术便是从人体体热中收集热能。 手表紧贴皮肤时,可以通过 Peltier 和 Seebeck 效应利用人体温差发电。 现在,已有商业化的热电设备能与人体皮肤接触在 5 度温差下产生 10 至 20 μW/cm² 功率。 两到三个这样的器件即可满足一个健康监视系统的功率要求。

来自韩国 KAIST 研究院的研究小组已开发出一种热电发电机,这种器件在有机基底上融入了无机材料,重量极轻且柔性极高。 这种织物型基底柔韧性极高,弯曲半径达 20mm,因此可用于紧贴人体皮肤的可穿戴设计中,且基底弯曲时不会改变性能。

这种发电机采用可以打印到织物上的特殊膏状 n 型 (Bi2Te3) 和 p 型 (Sb2Te3) 热电材料。 这种膏状材料覆盖在织物纤维上方,形成数百微米厚的 TE 材料膜。 这样便形成数百个能够发电的热电点,并使研究人员能将发电机重量大幅减小至 0.13 g/cm² 左右。 在腕套中,面积为 10 cm x 10 cm 的原型发电机可产生约 40 mW 功率。

可穿戴设备也通常处于移动状态,能为不同的电池充电方法提供新的发电途径。 使用如 Measurement Specialties 提供的 MSP1006 压电振动传感器,可利用设备自身的运动提供电源。 把传感器调谐至使用者的运动共振频率时(通常 100 Hz 左右),可用来提供电源。 这种想法虽不算新颖——已在自动上发条手表上使用了几十年,但可利用压电晶体的弯曲动作发电。 利用运动进行能量收集的新方法正处于调查研究阶段,包括捕获材料中纤维移动产生的电荷。

能否利用无线电发射产生的电场收集电能,仍处于实验室研究阶段。 无线网络的普及让我们有机会为便携式和可穿戴设备收集这种电能。 然而这种技术仍处于初期阶段,但对无线电源来说极有可能取消充电电缆,且只需将可穿戴设备放到充电板上就能反复充电。

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