榮 訓(xùn)， 陳志敏， 曹廣忠

(深圳大學(xué) 自動(dòng)化研究所 深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

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微弱能量收集電路技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

榮 訓(xùn)， 陳志敏， 曹廣忠

(深圳大學(xué) 自動(dòng)化研究所 深圳電磁控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用，以電池為主的供能方式弊端日漸顯露，微弱能量收集因其諸多優(yōu)點(diǎn)而得到了極大重視。介紹了目前微弱能量收集電路技術(shù)研究的現(xiàn)狀，對(duì)目前的微弱能量收集電路技術(shù)進(jìn)行了分析，闡述了多種微弱能量的收集，介紹了目前高效率的微弱能量收集電路的設(shè)計(jì)模式。結(jié)合目前微弱能量收集電路的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了能量收集電路技術(shù)未來(lái)的研究趨勢(shì)和方向。

能量收集電路； 物聯(lián)網(wǎng)； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 微弱能量收集技術(shù)

0 引 言

在過(guò)去的十多年里，處理、存儲(chǔ)和通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，與之相比,電源技術(shù)進(jìn)步的速度要小得多，能量密度上無(wú)明顯提高[1]。但傳感器和交互節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方面已取得很大的研究成果，由于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在數(shù)量上的增加和在尺寸上的減少，對(duì)電源的體積、壽命和能量密度要求越來(lái)越嚴(yán)格，傳統(tǒng)上遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器一直依靠電池供電來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)并以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)[2]。這種方式工作可靠，但傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用壽命取決于電池的可用壽命[3]。這些電池一般能持續(xù)工作3～5年時(shí)間，在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中都屬于昂貴的組件。在有些應(yīng)用中難以更換電池，而且更換電池費(fèi)用高昂。因此，人們希望能實(shí)現(xiàn)傳感器的自供電，將自供電系統(tǒng)用在傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，可取代電池或延長(zhǎng)電池的使用壽命[4,5]。與之相關(guān)的能量收集技術(shù)也得到人們?cè)絹?lái)越多的重視，最近國(guó)際上研究的熱點(diǎn)是微弱能量收集技術(shù)[6,7]。

本文介紹了目前微弱能量收集電路技術(shù)研究的現(xiàn)狀，對(duì)目前的微弱能量收集電路技術(shù)進(jìn)行分析。闡述了多種微弱能量的收集，介紹了目前高效率的微弱能量收集電路的設(shè)計(jì)模式。結(jié)合目前微弱能量收集電路的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)未來(lái)微弱能量收集電路技術(shù)的研究趨勢(shì)做了幾點(diǎn)思考。

1 多種微弱能量的收集技術(shù)

微弱能量收集作為一種減少或消除對(duì)電池需求的方法已經(jīng)獲得廣泛的關(guān)注。一些通過(guò)利用來(lái)自人或者環(huán)境的能量收集的方法已經(jīng)可以使用[8，9]。電池的局限性使得微弱能量收集得到更廣的利用，但是高效的收集微弱能量結(jié)合若干領(lǐng)域知識(shí)的多學(xué)科方法是必要的，包括電子、機(jī)械、材料和工藝。目前，微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)電和能量收集器可以從振動(dòng)、電磁、熱能、摩擦等中獲得能量[10～14]。人們把獲得的這些能量?jī)?chǔ)存在可重復(fù)充電的電池中或者直接給傳感器供電。

1.1 振動(dòng)能量收集

環(huán)境中振動(dòng)無(wú)處不在，而且便于收集，壓電陶瓷壓電常數(shù)大，靈敏度高，制造工藝成熟，可通過(guò)合理配方和摻雜等人工控制來(lái)達(dá)到所要求的性能。因此，在目前的振動(dòng)能量收集中，使用最多的是壓電能量收集器[15]。在眾多的壓電振動(dòng)能量收集結(jié)構(gòu)中，單懸臂梁結(jié)構(gòu)發(fā)展最為成熟，無(wú)論是在理論研究還是在實(shí)驗(yàn)研究方面，目前已經(jīng)積累了大量可供參考的成果[16]。這主要依賴于單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單。通常，單懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電發(fā)電裝置固有頻率較高，而環(huán)境振源的頻率一般較低，因此，為了降低單懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的固有頻率，通常在臂梁末端加裝一金屬質(zhì)量塊，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓電發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

壓電陶瓷的發(fā)電原理正是利用壓電材料的壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。

1.2 電磁能量收集

20世紀(jì)30年代早期，在法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)定律現(xiàn)象不久后，電磁感應(yīng)已被用于發(fā)電。現(xiàn)在使用的大多數(shù)發(fā)電機(jī)是基于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電磁感應(yīng)，從大規(guī)模發(fā)電到汽車電池充電，電磁發(fā)電被應(yīng)用于各領(lǐng)域。無(wú)論使用轉(zhuǎn)動(dòng)或平動(dòng)器件，電磁發(fā)電可以用于μW到mW量集的能量收集。如圖2是Liu Huicong等人[17]設(shè)計(jì)的一種電磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。通過(guò)晃動(dòng)電磁發(fā)電機(jī)，中間的磁鐵上下晃動(dòng)，磁場(chǎng)發(fā)生變化，使得線圈產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓，從而產(chǎn)生電能。

圖2 電磁發(fā)電器結(jié)構(gòu)圖

1.3 熱能量的收集

在自然界和人工裝置中，溫度梯度和熱流無(wú)處不在，這為從環(huán)境中收集熱電能量提供可能。通過(guò)熱電能量轉(zhuǎn)換，可以將環(huán)境中存在的溫度梯度和熱流轉(zhuǎn)換為電能。溫差為有效的能量轉(zhuǎn)換提供了電勢(shì)，而熱流則提供了功率[18]。雖然從熱能中提取的功率很低，但對(duì)于無(wú)線傳感器這樣的特殊低功率器件，熱電能量收集是切實(shí)可行的，并且隨著這些應(yīng)用所需的功率不斷降低，熱電能量收集將被廣泛的采用。 2014年,Prijic A等人[19]設(shè)計(jì)的熱能收集器實(shí)現(xiàn)了收集環(huán)境中熱能量的收集。

1.4 摩擦能量收集

摩擦起電現(xiàn)象幾乎存在于任何地方和任何時(shí)間，是一種很普遍的、很古老的現(xiàn)象。大概從古希臘時(shí)期開始，這個(gè)現(xiàn)象就幾乎是每個(gè)科研工作者，甚至是每個(gè)人都知道的物理現(xiàn)象。但是，人們常常認(rèn)為摩擦起電是一種負(fù)面效應(yīng)，在許多情況下人們都通過(guò)各種技術(shù)途徑來(lái)回避摩擦起電。2006年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的王中林教授小組發(fā)明了基于摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)相結(jié)合的摩擦納米發(fā)電機(jī)[20]，這種發(fā)電機(jī)能夠用來(lái)將物體間的摩擦轉(zhuǎn)換為電能。摩擦納米發(fā)電機(jī)作為一種能量產(chǎn)生單元，由于摩擦電效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而使得二者之間形成一個(gè)電勢(shì)差，從而產(chǎn)生電能[21，22]。如圖3是Zhu Guang等人[23]最近做成的旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖，通過(guò)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)定子轉(zhuǎn)動(dòng)，使得電極與轉(zhuǎn)盤摩擦，然后產(chǎn)生電能，從而實(shí)現(xiàn)摩擦能量的收集。

圖3 旋轉(zhuǎn)摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 微弱能量收集的電能的特性

每種微弱能量收集的原理都不同，也導(dǎo)致了收集的電能各具特色，它們也有各自適用的場(chǎng)合。如摩擦能轉(zhuǎn)換效率高[24]，但是必須要通過(guò)特定的材料接觸摩擦才能運(yùn)作，而熱能的轉(zhuǎn)換必須利用熱電材料兩端的溫度差，適用于會(huì)發(fā)熱的環(huán)境中。振動(dòng)能也必須將發(fā)電裝置安放在具有振動(dòng)源的環(huán)境中才可使用。如表1是各種形式能量收集的電能的特性。

由表1可知，各種形式能量收集器的功率密度都是μW級(jí)別，能夠把環(huán)境周圍未能利用的能量轉(zhuǎn)換成有用的電能。通過(guò)能量收集器收集到的電能，一般都是電壓比較高，但電流很小，且高阻抗，不能直接供給電子產(chǎn)品使用。在過(guò)去，由于能量收集技術(shù)的限制，這些能量很少被利用起來(lái)，然而隨著科技的進(jìn)步和微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，以及微弱能量收集電路技術(shù)的提高，這些微弱能量越來(lái)越多地被利用起來(lái)[25]。

表1 各種形式能量收集的電能的特性

Tab 1 Electric energy features of various kinds of forms energy harvesting

能量源功率密度(μW/cm3)電能的形式電壓的級(jí)別(V)振動(dòng)能0～200正弦波0～100電磁能0～1脈沖波0～5熱能15(10℃溫差)無(wú)規(guī)則0～1摩擦能200～2000正弦波或者脈沖波0～1000

3 微弱能量收集電路技術(shù)

微弱能量收集電路一般由能量收集器、電源管理電路、能量存儲(chǔ)電路和控制電路四部分組成[26，27]。能量收集器將外界的能量轉(zhuǎn)換為電能輸出給電源管理電路，電源管理電路將電壓升高、降低或者變換后輸出給負(fù)載供電或者給電池充電[28]。能量存儲(chǔ)電路將電能存貯起來(lái)以備外界可收集的能量不足時(shí)給器件供電。控制電路控制輸出電壓的大小或者電池的充放電等[27]。目前，國(guó)內(nèi)外研究者所設(shè)計(jì)的微弱能量收集電路主要有以下三種。

3.1 傳統(tǒng)的微弱能量收集電路技術(shù)

能量收集器收集的能量不能直接給傳感器供電，需要經(jīng)過(guò)能量收集電路的處理后才能給傳感器供電。SodanoH A等人[30,31]研究了不同的壓電能量收集器和利用電容器或充電電池進(jìn)行能量存儲(chǔ)的方法。Ottman C K等人[32]開發(fā)了一種高效電路，用于存儲(chǔ)電荷和為負(fù)載供電。Lefeuvre E和Badel A等人[33,34]開發(fā)了一種新型功率流優(yōu)化方法，用于提高能量轉(zhuǎn)換效率，這種方法基于“電感式同步開關(guān)收集技術(shù)”(SSHI)，相比于其它微弱能量收集電路，這種方法雖然提高了能量收集效率，但多數(shù)需要提供外部電源使微處理器產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。朱莉婭[35]用改進(jìn)型的SSHI電路對(duì)懸臂梁壓電能量收集器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，她所用的微弱能量收集電路包括開關(guān)控制電路、全橋整流電路和一個(gè)濾波電容器，該電路實(shí)質(zhì)上是一個(gè)AC/DC變換電路，電路中全橋整流器的作用是將能量收集器輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓。

如圖 4所示，Li Yani 等人[36]設(shè)計(jì)的數(shù)字開關(guān)控制整流的能量收集電路，不需要控制器來(lái)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。通過(guò)開關(guān)的控制來(lái)達(dá)到整流的目地，然后在對(duì)直流電進(jìn)行變換，再給負(fù)載供電，他們的設(shè)計(jì)把電路的整個(gè)功耗降低到了1.42 μW。

圖4 數(shù)字開關(guān)控制的能量收集電路

3.2 采用芯片的微弱能量收集電路技術(shù)

為了擴(kuò)大能量收集的范圍和提高能量收集的效率和芯片制造技術(shù)的發(fā)展，很多半導(dǎo)體公司推出了低功耗的能量收集有關(guān)的芯片，因此，很多研究者采用的設(shè)計(jì)思路是用低功耗芯片來(lái)設(shè)計(jì)能量收集電路，減少電路的消耗。2010年，Salleh H等人[37]利用XC616和LTC1934進(jìn)行聯(lián)合仿真，從理論上證明了用芯片設(shè)計(jì)的微弱能量收集電路的可行性。2012年，Xu Yifan等人[38]用LTC3588—1能量收集芯片實(shí)現(xiàn)了收集樹木擺動(dòng)所產(chǎn)生的微弱能量。Rohan Dayal等人[39]用LTC6992PWM波芯片和外圍電路相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電磁發(fā)電的能量收集。如圖5是Prijic A等人[40]2014年采用芯片設(shè)計(jì)的微弱能量收集電路。電路采用LTC3108能量收集芯片，該芯片是美國(guó)凌力爾特公司推出的集超低電壓、升壓器和電源管理器于一體的DC/DC轉(zhuǎn)換器。輸入電壓最低為20 mV，具有極低的靜態(tài)電流，輸出則可以設(shè)置為四種固定電壓之一，用于為一個(gè)無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電。

圖5 采用芯片的微弱能量收集電路

3.3 采用高度集成電路的微弱能量收集電路技術(shù)

使用芯片來(lái)設(shè)計(jì)能量收集電路，可以高效收集微弱能量，但是由于可以收集的微弱能量有多種形式。很多時(shí)候無(wú)法找到一種合適的芯片來(lái)滿足的設(shè)計(jì)要求。為了解決這樣的問(wèn)題，很多研究者自己設(shè)計(jì)微弱能量收集電路，然后把自己設(shè)計(jì)的電路做成高度集成的電路，這樣不僅滿足實(shí)際的要求，而且功耗也非常低。2011年，Dallago E等人[41]將AC/DC電路、控制電路、存儲(chǔ)電路集成在一起，實(shí)現(xiàn)能量的收集和自供電。2012年,Ulusan等人[42]設(shè)計(jì)的自供電整流集成電路，使得微弱能量的收集效率達(dá)到了92 %。2014年,Ying-Khai Teh等人[43]把設(shè)計(jì)的能量收集電路通過(guò)高度的集成，實(shí)現(xiàn)了高效率的能量收集和21 mV的超低電壓電路的自啟動(dòng)。圖6是Aktakka E E等人[44]2014年設(shè)計(jì)的集成電路的結(jié)構(gòu)圖，將能量收集、能量存儲(chǔ)、電源管理、傳感器等全部集成在電路板上，不僅減小了能量收集裝置的尺寸，而且最大限度地降低了電路的功耗。

圖6 集成電路的結(jié)構(gòu)圖

4 微弱能量收集電路技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

對(duì)于目前使用最廣泛的三類微弱能量收集電路，它們有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)字開關(guān)控制的能量收集電路使用的電子器件比較多，導(dǎo)致電路的壓降大，輸出的電壓不穩(wěn)定，但是制作價(jià)格低廉；采用芯片的能量收集電路，使得設(shè)計(jì)能量收集電路變得方便、簡(jiǎn)單，但是容易受到芯片性能的限制，找到完全符合多種形式微弱能量收集的芯片也不是很容易，而芯片價(jià)格也不便宜；采用高度集成電路的能量收集電路，可以靈活地應(yīng)用于多種形式的微弱能量收集，應(yīng)用受到的限制少，但是制作成本高。

由于微弱能量收集越來(lái)越受到重視，加上與之相關(guān)的技術(shù)發(fā)展，微弱能量收集電路將整合各類電路的優(yōu)點(diǎn)，使得電路的功耗減小、成本降低、體積微型化、能量的收集效率得到提高。而且未來(lái)微弱能量的收集將會(huì)變得多元化，一個(gè)能量收集裝置，可以收集多種形式的微弱能量，將提高微弱能量收集的能力。相信在不久的將來(lái)微弱能量收集技術(shù)將被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，而且有望成為電池的替代品，為各類微機(jī)電系統(tǒng)和低功率無(wú)源傳感器提供動(dòng)力。

5 結(jié) 論

本文介紹了微弱能量收集電路技術(shù)研究的現(xiàn)狀，對(duì)目前的微弱能量收集電路技術(shù)進(jìn)行了分析，闡述了多種微弱能量的收集，介紹了目前高效率的微弱能量收集電路的設(shè)計(jì)模式。結(jié)合目前微弱能量收集電路的優(yōu)缺點(diǎn)，展望了微弱能量收集電路技術(shù)未來(lái)朝著多元化、低成本、微小化、集成化方向發(fā)展，在未來(lái)將會(huì)被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

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Research status and developing trend of ultra low energyharvesting circuit technology*

RONG Xun, CHEN Zhi-min, CAO Guang-zhong

(Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control， Institute of Automation,Shenzhen University，Shenzhen 518060，China )

With development of Internet of things(IoT)and widespread usage of wireless sensor networks(WSNs)，disadvantages of energy supply form which mainly based on battery come out more and more，because of many advantages of ultra low energy harvesting technology，it has received a great deal of attention.Present research situation of ultra low energy harvesting circuit technology is introduced，current ultra low energy harvesting circuit technology is analyzed， and harvesting of many types of ultra low energy is described，furthermore，design patterns of ultra low energy harvesting circuit which has high efficiency is introduced.Combine with advantages and disadvantages of present ultra low energy harvesting circuit，future research trends and directions of energy harvesting circuit technology is prospected.

energy harvesting circuit； Internet of things(IoT); wireless sensor networks(WSNs)； ultra low energy harvesting technology

2015—07—07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51275312)； 深圳市戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(JCYJ20140418182819160)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0006—05

TK01

A

1000—9787(2015)09—0006—05

榮 訓(xùn)(1990-)，男，湖北仙桃人，碩士研究生，研究方向能量收集技術(shù)。