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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、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，比如動能（風(fēng)、波、重力、振動等）、電磁能（光伏、電磁波等）、熱能（太陽熱能、地?zé)�、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，我們生活周圍有很多能源來源，例如汽車的振動和散熱，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，此時你應(yīng)該怎么辦？這個時候你就會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)動手表利用人體的運(yùn)動振動轉(zhuǎn)化成為手表的電能，無線電廣播產(chǎn)品采用振動能為無線電系統(tǒng)供電，醫(yī)用測量儀器利用手持振動對儀器蓄電，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)、超低功耗存儲器件比如鐵電存儲器（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)是使用液壓動力，因?yàn)槲覀冎罌]有電網(wǎng)會存在于水的周圍；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，你就需要手動更換電池。電池確實(shí)是非常便宜，但是基礎(chǔ)設(shè)施變動的費(fèi)用將會是非常昂貴的。那么，此時能源采集方案就是解決方案。 沒有電池的遙控器像一個傳感器節(jié)點(diǎn)，可以感受光、溫度和濕度。這個系統(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GPS，它可以連接智能手機(jī)，你就可以隨時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)儲存儲），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IC的要求也會較高，而在這時，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。這個系列的集成電路是用來進(jìn)行光源/振動能量管理的超低功耗電路。集成電路包含用于光能/振動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)是專為振動或光源能量管理設(shè)計(jì)，可同時支持振動及光能能量管理。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。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；啟動電壓(min)：0.35 V；無負(fù)載電流消耗：30 μA；充電器為單個或多個太陽能電池；內(nèi)置MPPT能夠高效；自動脈波頻率調(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)。 |
