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“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。通俗來講，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（太陽熱能、地?zé)帷囟茸兓⑷紵龋⒃幽埽ㄔ雍四堋⒎派湫运プ兊龋┗蛏锬埽ㄉ锶剂稀⑸镔|(zhì)能等）。就如上面圖1顯示，我們生活周圍有很多能源來源，例如汽車的振動(dòng)和散熱，基站的電磁波，大自然的風(fēng)能等。那么對(duì)于這些能源來說，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證明能源采集的好處，其實(shí)我有幾個(gè)很簡單的例子可以描述一下。假如你離可以供電的設(shè)備非常遠(yuǎn)，恰好你身邊的筆記本、手機(jī)等終端都沒有電了，此時(shí)你應(yīng)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(xiàn)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(xì)分市場。 其實(shí)這種能源采集的技術(shù)已經(jīng)有一些產(chǎn)品的應(yīng)用。例如最基礎(chǔ)的太陽能充電計(jì)算器，心臟起搏器利用心跳采集能量供電，一些運(yùn)動(dòng)手表利用人體的運(yùn)動(dòng)振動(dòng)轉(zhuǎn)化成為手表的電能，無線電廣播產(chǎn)品采用振動(dòng)能為無線電系統(tǒng)供電，醫(yī)用測量儀器利用手持振動(dòng)對(duì)儀器蓄電，在這些例子里，不難看到傳感器的應(yīng)用。當(dāng)然傳感轉(zhuǎn)換技術(shù)只是整個(gè)能量采集系統(tǒng)的一部分。有效的能源采集系統(tǒng)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(chǔ)器件比如鐵電存儲(chǔ)器（FRAM）以及RF模塊。 不一樣的“目標(biāo)” 像上圖所畫，富士通半導(dǎo)體一直在設(shè)想有哪些解決方案可以使這些生活中隨處可見的能源被收集起來。生活中，我們可以知道水管理系統(tǒng)是使用液壓動(dòng)力，因?yàn)槲覀冎罌]有電網(wǎng)會(huì)存在于水的周圍；我們也知道遠(yuǎn)距離車鎖這種技術(shù)等等。日常生活中，這些應(yīng)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(chǔ)設(shè)施變動(dòng)的費(fèi)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。 沒有電池的遙控器像一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，可以感受光、溫度和濕度。這個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)在被用在家庭能源管理系統(tǒng)以及建筑節(jié)能管理系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，本地定位系統(tǒng)與太陽能電池相互連接，形成一個(gè)GPS，它可以連接智能手機(jī)，你就可以隨時(shí)知道你的家人在哪里。 富士通半導(dǎo)體現(xiàn)在就在做著這些… … 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(yùn)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(tǒng)或無線傳感器節(jié)點(diǎn) （WSN）系統(tǒng)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(zhuǎn)換；電源管理芯片（PMIC）；把節(jié)點(diǎn)與接收端結(jié)合的部分（由傳感器，MCU，F(xiàn)RAM組成，負(fù)責(zé)處理測量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存儲(chǔ)），以及由短程無線單元組成的通信組件，用于能量最終的傳遞接收。 對(duì)于工程設(shè)計(jì)人員來說，能量采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)環(huán)境與以往有很大不同。設(shè)計(jì)人員必須清楚如何選擇合適的IC來設(shè)計(jì)自己的電路。在微型能源采集過程中，對(duì)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(dú)顯優(yōu)勢。 富士通半導(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器（Boost）。 超低功耗降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器(Buck)是專為振動(dòng)或光源能量管理設(shè)計(jì)，可同時(shí)支持振動(dòng)及光能能量管理。圖4為這款降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。DC-DC內(nèi)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(dǎo)體最新超低功耗技術(shù)，顯著降低其功耗；待機(jī)電流消耗：1.5 uA(S0 = S1 = S2 = 0 V，VIN = 4.0 V)；通過遲滯比較器法快速得到負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)；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(fù)載電流：100毫安(最大)；分流功能保護(hù)輸入 (VIN)少于20 V。 光源超低電壓升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器是通過富士通半導(dǎo)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(zhuǎn)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?qū)崟r(shí)偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對(duì)蓄電池充電。該轉(zhuǎn)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；無負(fù)載電流消耗：30 μA；充電器為單個(gè)或多個(gè)太陽能電池；內(nèi)置MPPT能夠高效；自動(dòng)脈波頻率調(diào)變，PWM操作效率高。 這款光源電源管理集成電路應(yīng)用范圍非常廣，支持太陽光、室內(nèi)光等各種光源能量管理。電力發(fā)電、遠(yuǎn)程控制、無線傳感器節(jié)點(diǎn)控制等等，都能用到這個(gè)解決方案，富士通半導(dǎo)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(duì)于綠色節(jié)能而言，富士通半導(dǎo)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(xiàn)。當(dāng)然，越是新型的能源，面臨的挑戰(zhàn)也就越大，但是我們堅(jiān)信創(chuàng)新和機(jī)遇來源于挑戰(zhàn)。 |
