隨著物聯網以及各種智能終端應用的廣泛普及，傳(chuan) 感器的應用呈現爆發之勢。然而傳(chuan) 感器節點的供電問題卻成為(wei) 係統設計中必須考慮、繞不過去的坎，隨著半導體(ti) 技術的進步、環保理念的增強以及節約維護成本的壓力，傳(chuan) 感器無源化成為(wei) 大勢所趨。所謂無源化指的是不需要外部電源或者電池供電，依靠傳(chuan) 感器關(guan) 聯電路自身獲取自然或環境中能量使傳(chuan) 感器正常工作，即采用能量采集解決(jue) 方案。

近幾年來針對環境能量的收集技術的研究越來越受到重視，多種形式的能量收集方式被提出，多種高效的能量收集結構被設計出來。集成電路技術在能量收集電路中的應用，使得能量管理電路的功耗更低，效率更高，多種電能管理芯片被開發出來。本文以胎壓監測應用為(wei) 例，分析傳(chuan) 感器供電的能量采集解決(jue) 方案。

典型的能量采集供電應用——胎壓監測

隨著工藝技術的不斷提升，胎壓傳(chuan) 感器的集成度越來越高，需要的外圍電路越來越簡單，大大地降低了胎壓傳(chuan) 感器的功耗，為(wei) 通過環境能量采集進行供電提供了可能。傳(chuan) 統的胎壓監測係統普遍使用紐扣電池作為(wei) 胎壓傳(chuan) 感器的能量源，在電源耗盡之前需要更換電池，不僅(jin) 更換起來極為(wei) 麻煩，而且廢舊的電池會(hui) 對環境造成汙染。胎壓傳(chuan) 感器的無源化可以從(cong) 根本上解決(jue) 傳(chuan) 統解決(jue) 方案的供電問題。

能量收集方式主要根據傳(chuan) 感器的工作環境和工況決(jue) 定，胎壓傳(chuan) 感器在劇烈運動的工況下工作，並處在一種高溫、高壓的環境中，適合的收集方式有熱電式、壓電式和電磁式。壓電式和電磁式都是收集汽車輪胎上的振動能量，能量收集裝置的振動部件受到疲勞壽命等因素的影響，其可靠性不高，實用性不強。熱電式能量收集方式收集的是溫差能量，不存在任何的移動部件，結構簡單可靠，不需要維護，而且隻需要提供足夠的熱源就輸出電能，相對於(yu) 其他形式的收集方式具有很大的優(you) 勢。

溫差發電器件原理基於(yu) 塞貝克效應，可以直接將溫差能量轉化為(wei) 電能。而汽車輪胎在行駛過程中可以產(chan) 生顯著的溫差，以室外平均溫度25 ℃、平均時速30 km/h為(wei) 例，實驗證明隨著汽車行駛時間的增加，輪胎內(nei) 外的溫差不斷升高並在50 分鍾後超過10 ℃，行駛的輪胎可以為(wei) 熱電器件提供較高的熱流，並提供電能輸出。

如何實現胎壓監測無源供電？基於(yu) LTC3108的溫差發電能量管理

環境能量采集通常麵臨(lin) 電量微弱的特點，隨著近年來模擬半導體(ti) 技術的進步越來越多的能量采集解決(jue) 方案實現了高效率的電源管理。ADI推出的電源管理芯片LTC3108即可以實現對微弱能量的管理和利用。電路輸入端采用了一個(ge) 小型的升壓變壓器，利用一個(ge) 耗盡型N通道MOSFET開關(guan) 來形成一個(ge) 諧振升壓振蕩器，可以將最低20 mV的電壓升高，並提供給其他電路使用。下圖為(wei) 基於(yu) LTC3108的典型熱電管理電路。

應用於(yu) 胎壓傳(chuan) 感器的溫差能量收集方式，通過分析熱電器件的輸出特性設計了一款能量收集溫差能量的電路，該電路可以通過積累和釋放的方式收集電能，實現了在低至100 mV的電壓下收集能量，並成功地驅動胎壓傳(chuan) 感器的工作。隨著技術的發展，未來還會(hui) 有更高ZTM的熱電材料得到應用，利用溫差能量收集電能來為(wei) TPMS供電具備巨大的應用潛力。

總結：能量采集的現狀與(yu) 未來

能量采集早已不是什麽(me) 新鮮話題，這項技術曆史悠久，但是隨著人類的所需也在不斷發展，當今龐大的人口與(yu) 其帶來的電力能源消耗，越來越多的應用會(hui) 用到能量采集技術、能源管理係統和可充電電池，所以新能量采集技術的大幕才剛剛揭開，其市場前景也是相當廣闊，據相關(guan) 研究機構調研和預測：2015年，全球能量采集係統市場規模2.68億(yi) 美金，預計在2016年——2020年，年均增長率在70%以上，到2020年，其市場規模，將達到40億(yi) 美金。

上圖是常見的能量采集技術和應用。對於(yu) 像本文所述的胎壓監測、RFID標簽、助聽器等的能量采集並不是像常見的很大的太陽能板，吸收陽光之後產(chan) 生大量電力，我們(men) 這裏提到的能量采集是微功率能量采集，能量介於(yu) 1瓦以下，大部分情況是幾百個(ge) 毫瓦。微功率能力采集有四種來源，第一個(ge) 是大家比較常見的太陽能，可是一般傳(chuan) 感器的尺寸不可能放一個(ge) 很大的太陽能板，隻能使用小小的太陽能板，並且要能吸收室內(nei) 燈光。第二種是溫差發電，這個(ge) 比較常在煉鋼廠中看到，因為(wei) 煉鋼廠的溫度很高、變化很大，所以適合使用溫差發電。第三種是壓電，是利用震動時的韻律感產(chan) 生電壓。最後一種是利用磁場發電，最常見的就是馬達，利用馬達運轉中產(chan) 生的磁場發電。

在能量采集技術上，ADI走在了業(ye) 界前列，其LTC3108/LTC3109以及ADP5091/92在全球有非常廣泛的應用。作為(wei) 應用特別便利、對環境條件要求低的溫差發電技術，據悉ADI還在考慮如何改進溫差發電轉化技術，雖然已有的能量采集IC能實現把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏已經是非常大的挑戰了，但ADI的美國團隊仍在思考如何把換能器功率進一步提高，從(cong) 200微瓦提高到400微瓦，並且體(ti) 積隻有目前的1/10。顯然，如果ADI後續真的能夠推出這樣的產(chan) 品，那麽(me) 無疑將會(hui) 獲得全球可穿戴設備市場很大的份額。