针对未来物联网可穿戴设备,硬件工程师必须掌握的4种能量收集电路设计

2019年10月15日 作者:Teardown

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。

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