【導(dǎo)讀】過去幾年里涌現(xiàn)出了大量可穿戴電子產(chǎn)品，所面臨的共同難題之一就是電池使用壽命問題。該難題的解決方法之一就是增加從環(huán)境中收集能量的能量收集技術(shù)的使用。這種方法可用于向電池提供穩(wěn)定的涓流，從而延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的充電間隔并以此提升終端設(shè)計(jì)的吸引力。
過去幾年里涌現(xiàn)出了大量可穿戴電子產(chǎn)品，所面臨的共同難題之一就是電池使用壽命問題。 許多智能手表必須天天充電，而更多的專業(yè)健身設(shè)備雖然工作時(shí)間很長(zhǎng)，但在功能和連接性方面仍存在不足。由于越來越多地要求與互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)中的其它設(shè)備連接，設(shè)計(jì)中的無線和計(jì)算元件對(duì)電源的要求也越來越高。同樣，節(jié)能顯示器技術(shù)也在進(jìn)步，而且對(duì)于更豐富的用戶接口的不斷需求正推高此類設(shè)備的電源要求。
該難題的解決方法之一就是增加從環(huán)境中收集能量的能量收集技術(shù)的使用。這種方法可用于向電池提供穩(wěn)定的涓流，從而延長(zhǎng)可穿戴設(shè)備的充電間隔并以此提升終端設(shè)計(jì)的吸引力。
然而，使用這些技術(shù)是面臨四個(gè)工程難題：電能的產(chǎn)生、電能的管理和存儲(chǔ)、收集元件的尺寸以及成本。多年以來，在新型能量收集方面已進(jìn)行了大量研究，但大部分研究還未能推出可以上市的設(shè)備。
可穿戴設(shè)備本身就需要接近人體，這就提供了多種電能來源的獲取途徑，因此具有一些關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
電能的產(chǎn)生
現(xiàn)有多種能從環(huán)境為可穿戴設(shè)備產(chǎn)生電能的方法，但在工程方面各有優(yōu)劣。其中，最成熟的一種便是多年來一直在為傳統(tǒng)手表提供電力的太陽能技術(shù)。太陽能電池，如 Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的器件，能直接利用日光供電，且現(xiàn)在已能利用室內(nèi)照明供電。正如 Silicon Labs 的開發(fā)套件展示的那樣，這些器件使用小占空比，能產(chǎn)生足夠的電能，驅(qū)動(dòng)無線鏈路長(zhǎng)達(dá)十五年。
圖 1：Silicon Labs 采用太陽能電源的能量收集評(píng)估板。
此外，該評(píng)估板外形扁平，電池高度僅 0.17 mm，這是進(jìn)行可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)的另一關(guān)鍵注意事項(xiàng)。 此處的低功耗控制器——Si1012 無線 MCU 是關(guān)鍵器件，能保持僅消耗 50 nA 的低功耗狀態(tài)。 能量收集電源在啟用時(shí)的漏泄電流約 3 μA，且只需低至 50 勒克斯光照射太陽能電池即可抵消。這使得能量收集電源能在長(zhǎng)達(dá)七天的黑暗環(huán)境下向系統(tǒng)供電，或者如果有一個(gè)能補(bǔ)足損失能量的周期性光源，就能無期限期向?yàn)橄到y(tǒng)供電。 該系統(tǒng)在室內(nèi) 200lx 和戶外 10，000lx 光源下均能工作。
然而，這里關(guān)注的僅是無線連接而非系統(tǒng)總功耗要求。對(duì)于進(jìn)行定期測(cè)量并將測(cè)量值反饋回集線器的健身設(shè)備，這是一種理想的長(zhǎng)使用壽命方法。
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諸如智能開關(guān)等中央集線器需要較高電流，且其它技術(shù)正在評(píng)估之中。其中的一項(xiàng)技術(shù)便是從人體體熱中收集熱能。手表緊貼皮膚時(shí)，可以通過 Peltier 和 Seebeck 效應(yīng)利用人體溫差發(fā)電?，F(xiàn)在，已有商業(yè)化的熱電設(shè)備能與人體皮膚接觸在 5 度溫差下產(chǎn)生 10 至 20 μW/cm2 功率。兩到三個(gè)這樣的器件即可滿足一個(gè)健康監(jiān)視系統(tǒng)的功率要求。
來自韓國(guó) KAIST 研究院的研究小組已開發(fā)出一種熱電發(fā)電機(jī)，這種器件在有機(jī)基底上融入了無機(jī)材料，重量極輕且柔性極高。這種織物型基底柔韌性極高，彎曲半徑達(dá) 20mm，因此可用于緊貼人體皮膚的可穿戴設(shè)計(jì)中，且基底彎曲時(shí)不會(huì)改變性能。
圖 2：韓國(guó) KAIST 開發(fā)的柔性熱電發(fā)電機(jī)。
這種發(fā)電機(jī)采用可以打印到織物上的特殊膏狀 n 型 (Bi2Te3) 和 p 型 (Sb2Te3) 熱電材料。這種膏狀材料覆蓋在織物纖維上方，形成數(shù)百微米厚的 TE 材料膜。這樣便形成數(shù)百個(gè)能夠發(fā)電的熱電點(diǎn)，并使研究人員能將發(fā)電機(jī)重量大幅減小至 0.13 g/cm2 左右。在腕套中，面積為 10 cm x 10 cm 的原型發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生約 40 mW 功率。
可穿戴設(shè)備也通常處于移動(dòng)狀態(tài)，能為不同的電池充電方法提供新的發(fā)電途徑。使用如 Measurement Specialties 提供的 MSP1006 壓電振動(dòng)傳感器，可利用設(shè)備自身的運(yùn)動(dòng)提供電源。把傳感器調(diào)諧至使用者的運(yùn)動(dòng)共振頻率時(shí)（通常 100 Hz 左右），可用來提供電源。 這種想法雖不算新穎——已在自動(dòng)上發(fā)條手表上使用了幾十年，但可利用壓電晶體的彎曲動(dòng)作發(fā)電。 利用運(yùn)動(dòng)進(jìn)行能量收集的新方法正處于調(diào)查研究階段，包括捕獲材料中纖維移動(dòng)產(chǎn)生的電荷。
圖 3：Measurement Specialties 的 MSP1006 壓電晶體。
能否利用無線電發(fā)射產(chǎn)生的電場(chǎng)收集電能，仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。無線網(wǎng)絡(luò)的普及讓我們有機(jī)會(huì)為便攜式和可穿戴設(shè)備收集這種電能。然而這種技術(shù)仍處于初期階段，但對(duì)無線電源來說極有可能取消充電電纜，且只需將可穿戴設(shè)備放到充電板上就能反復(fù)充電。
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管理和存儲(chǔ)
即使在通過太陽能或者振動(dòng)傳感器產(chǎn)生電能后，仍需克服幾個(gè)難題。產(chǎn)生的電流可能非常小并具有間歇性特點(diǎn)，而且收集后才能使用。同樣，來自電池的電流必須經(jīng)過管理，然后才能提供給可穿戴設(shè)計(jì)中的硅晶片。這就需要把存儲(chǔ)元件（從超級(jí)電容器到電池）與新一代電源管理芯片組合使用，這種芯片已針對(duì)能量收集應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，且可在如此低的電流下工作。
針對(duì)可穿戴系統(tǒng)的新型更高密度電池技術(shù)已在開發(fā)之中，它能利用能量收集源的涓流充電功能，無需損耗電池的化學(xué)材料，且器件體積很小。
Linear Technologies 已開發(fā)出一款多功能能量收集演示板。利用該演示板，可穿戴系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可評(píng)估所有不同的能量收集源、評(píng)估每種能量收集源的電源管理如何不同。DC2048A 可在設(shè)計(jì)初期利用壓電、太陽能、熱電能量源或其它任何高阻抗 AC 或 DC 電源。
該評(píng)估板內(nèi)含四個(gè)獨(dú)立芯片，用于處理不同的能量源和管理工作。LTC3588-1 壓電能量收集電源集成了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率降壓轉(zhuǎn)換器，以適應(yīng)諸如壓電或太陽能等高輸出阻抗能量源。該器件具有超低靜態(tài)電流欠電壓鎖定 (UVLO) 模式以及一個(gè)寬滯后窗口，因此能在輸入電容器上一直累積電荷，直到降壓轉(zhuǎn)換器能有效地將已存儲(chǔ)的一部分電荷傳輸至電源管理器。該器件的四個(gè)輸出電壓 (1.8 V、2.5 V、3.3 V 和 3.6 V）均可通過引腳選擇，且輸出高達(dá) 100 mA 的連續(xù)電流，但也可以選擇輸出電容器來匹配較高輸出電流脈沖，以適應(yīng)如智能手表等性能更高的設(shè)計(jì)。 設(shè)定為 20 V 的輸入保護(hù)分流器能在給定輸入電容下存儲(chǔ)更多能量。
另一方面，LTC3108 是一款可用于熱電發(fā)電機(jī)的超低電壓 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。這種升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的輸入電壓可低至 20mA 并采用一個(gè) 2.2 V LDO 向外部處理器供電，而主輸出則經(jīng)過編程后用作四個(gè)固定電壓中的一個(gè)，向無線鏈路供電。儲(chǔ)能電容器在沒有輸入電壓源時(shí)提供電能，這種設(shè)計(jì)可確保輸出存儲(chǔ)電容器快速充電，以使供電平穩(wěn)。
圖 4：LTC3108 電源芯片優(yōu)化用于從熱電設(shè)備收集能量。
該評(píng)估板上還包括帶功率點(diǎn)控制和 LDO 穩(wěn)壓器的 LTC3105 升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、LTC3459 10 V 微功耗同步升壓轉(zhuǎn)換器和 LTC2935-2/LTC2935-4 超低功耗監(jiān)控器，后者還包括針對(duì)電源故障輸出的可選擇閾值，以方便開發(fā)人員密切監(jiān)視電源。有了所有這些設(shè)備，就能利用不同的能量收集源評(píng)估各種電源管理方案。
該評(píng)估板還提供多個(gè)接口和變送器針座，因此簡(jiǎn)化了針座與開發(fā)板的連接。此外提供的跳線還可以用不同方式對(duì)該板進(jìn)行配置。 該板標(biāo)配三個(gè)跳線，最大可安裝十個(gè)。
尺寸和成本
這些技術(shù)雖合理完善，但在可穿戴設(shè)計(jì)方面卻一直存在一個(gè)挑戰(zhàn)——如何減小體積、提升性能，但又不增加成本。利用新型電池化學(xué)材料，現(xiàn)在的電池已能做到外形更薄、容量更大，這有助于在嚴(yán)格限制尺寸和重量的可穿戴設(shè)計(jì)中延長(zhǎng)電池壽命。作為一種已在使用的新型材料和制造技術(shù)，Peltier 和 Seebeck 效應(yīng)熱電發(fā)電機(jī)的體積正變得越來越小，與此同時(shí)，太陽能電池技術(shù)也在提升效率，減小重量，以便在設(shè)計(jì)中更多地使用太陽能電池，提供更多電力。
作為設(shè)計(jì)核心的硅器件也在減小體積，降低功耗。 隨著功耗和電壓的降低，微處理器、無線節(jié)點(diǎn)和電源管理芯片的晶模面積在不斷減小，讓設(shè)計(jì)人員能更多地滿足可穿戴設(shè)計(jì)要求。
總結(jié)
現(xiàn)在，可穿戴設(shè)備開發(fā)人員能利用很多能量源從環(huán)境中收集能量，同時(shí)，對(duì)于電池使用壽命和高性能的要求正推動(dòng)研究人員探索新的方法。從簡(jiǎn)單的健身傳感器，到作為其它許多設(shè)備的集線器的全功能智能手表，人們已經(jīng)找到多種新的方法利用太陽能、熱或振動(dòng)能量來延長(zhǎng)這些可穿戴設(shè)計(jì)中的電池壽命。然而，這只是故事的一章。電池技術(shù)和電源管理方面的開發(fā)已趕上這些能量源的發(fā)展步伐，提供的電源能夠良好地匹配整個(gè)設(shè)計(jì)的要求。 電池充電間隔是幾天、幾周還是幾個(gè)月，都不會(huì)影響可穿戴技術(shù)的功能。
