基礎知識：理解能量轉換器

近來，精密的電池供電型電子系統(tǒng)和自供電設備，在現(xiàn)有自主手持設備領域延伸出一些不同的應用。CMOS處理技術和電路技術方面取得的巨大進步，降低了電路的功耗，使得新型自主供電系統(tǒng)成為可能。這些進步帶來大量新興應用，例如：無線微傳感器網絡、可穿戴醫(yī)療電子設備、工業(yè)及家庭自動化傳感器和電子貨架標簽。理想情況下，這些系統(tǒng)都可以在沒有電池的情況下正常工作。但是，當要求使用電池時，我們仍然需要盡力延長電池使用時間，這樣系統(tǒng)便可在其壽命周期內無需更換電池。理解能量轉換器工作原理以及如何使用它來提供能源，是達到上述目標的基本要求。

自供電系統(tǒng)要求有一個能量來源，以在其壽命周期內維持正常的工作。根據不同的能量來源，可將商用能量轉換器分為如下四類：

1)光：太陽能電池由p-n晶體陣列組成，利用光伏效應工作。

2)熱：利用熱電組件采集環(huán)境熱能。

3)振動：振動能量采集器通過電磁或者壓電方法利用振動機械能，從而產生電能。

4)無線電波：無線電波能量采集方法使用定向解決方案時較為有效，但在使用環(huán)境能量時現(xiàn)實實現(xiàn)并無太多有用的功率。

表1:能量采集器的典型輸出功率

表1顯示了來自不同能量轉換器的典型功率級別以及采集器的重要考慮因素。在一般情況下，大多數(shù)采集器都可以提供 ~10-50μW/cm2左右的平均功率。所獲功率的大小與采集器面積有關，并嚴重依賴于采集器的可用空間。利用一個太陽能電池例子，我們可以描述出采集器的一些特性。太陽能電池可以建模為一個與二極管并聯(lián)的電流源，如圖1所示。分流電阻對漏電建模，而串聯(lián)電阻對接觸電池電阻建模。

圖1:光伏電池及其特性曲線的電氣模型

當光線照在太陽能電池上時，電池產生一個流過輸出端的電流IPH.電池為開路時，該電流在輸出端形成電壓VOC.在開路和短路兩種極端情況之間，電池產生功率。圖1中，紅色曲線表示太陽能電池的電流對比電壓特性。照度增加，短路電流增加，并對電池開路電壓產生微弱影響。從太陽能電池獲得的功率在某個特定的電壓下達到最大，然后在該電壓任意一端逐漸下降。這就是電池的最大功率點。它與入射光及其他環(huán)境因素有關，例如：溫度等。由于其高阻抗特性，其他轉換器都具有類似的最大功率點 (MPP) 特性。因此，如何選擇一種電源管理解決方案，讓其能夠工作在MPP下，是我們需要考慮一個的關鍵因素。

熱電發(fā)電機(TEG)用于采集環(huán)境熱能，并根據塞貝克效應Seebeck effect[1]產生電壓。熱采集器的基本結構單元是熱電耦。這種熱電耦由一個n型材料組成，其與一個p型材料串聯(lián)。當這種材料出現(xiàn)溫差時，熱開始從高溫面流向低溫面。熱能使自由電子和空穴移動，并形成電勢。常用熱采集器由p和n摻雜碲化鉍組成，原因是其具有優(yōu)異的熱屬性。這種材料的一個p-n腳可在熱冷面之間產生約0.2 mV/K溫差。

圖2:熱電堆陣列和簡單的TEG電氣模型

為了升高輸出電壓并獲得更多的功率(參見圖2)，我們將許多腳電串聯(lián)和熱并聯(lián)，以形成一個能夠產生約25 mV/K溫差的熱電堆。這種熱能采集器可以建模為一個同電阻串聯(lián)的電壓源，其開路電壓與溫度差成比例關系。電阻來自于金屬互連和芯塊邊緣的電阻。由此模型，我們可以很容易地知道，要想提取最大功能，就需要對阻抗進行控制，以匹配來自發(fā)電機的負載。熱能采集器的一個重要方面是，它們周圍需要一個正確的熱流系統(tǒng)，以保持熱通量以及良好的溫差。如果TEG兩面均允許達到熱平衡，則電功率輸出達到零。

采集環(huán)境機械能的一種普遍方法是利用壓電組件。圖3所示壓電材料承受的輸入振動，在器件中引起機械應變，之后轉換為電荷。PE采集器的等效電路可以表示為一個機械彈簧質量系統(tǒng)，其與一個電氣域聯(lián)接。仔細觀察器件的諧振頻率，我們可以將整個電路變換為電氣域[2].這樣，當受到正弦振動激勵時，便可將壓電組件建模為一個正弦電流源，其與電容CP和電阻RP并聯(lián)。

圖3:某個質量及其電氣建模加載的壓電組件

另外，我們還可以利用電磁采集器來采集機械能，它通過磁場來利用動能產生電能。為了最大化功率輸出，需要對采集器進行微調，讓其達到應用環(huán)境的最佳諧振頻率，并對整流阻抗進行調節(jié)以使其匹配。相比壓電采集器，這些器件的調節(jié)更加簡單，很容易獲得理想的功率輸出。但是，這兩種機械能轉換器本身都具有諧振，并且工作頻段較窄。

結論

總之，理解能量轉換器的特性非常重要。只有理解了它們的特性，才能優(yōu)化能量轉換，制造出一種可行的能量采集系統(tǒng)。能量轉換器電源管理的一些重要考慮因素包括能量源屬性、能量轉換器特性和電源管理性能。匹配電源管理解決方案以從轉換器中獲得最大輸出功率并將其有效存儲，要求我們深入地理解上述重要參數(shù)。它可以幫助我們開發(fā)出擁有最佳性能的能量采集系統(tǒng)，更好地服務于目標應用。