精密的電池供電和自動供電系統近來在自動裝置及手持裝置延伸出一些不同的應用。CMOS 製程技術和電路技術的重大進展使電路的功耗降低，因而實現新型自動供電系統。這些進展帶來許多新興應用，例如無線微感測器網路、可穿戴型醫療電子裝置、工業及家用自動感測器，及電子貨架標籤等。理想情況下，這些系統都可以在沒有電池的情況下正常運作。不過，盡力延長電池使用時間，使系統在其使用壽命內無需更換電池是最理想的。了解感測器運作原理及如何用來提供能源，是達到上述目標的基本要求。
自動供電系統需要提供在使用壽命內維持正常運作的能量。根據不同的能量來源，市面上的能量感測器可分為下列四大類：
光：太陽能電池由 p-n 接面陣列構成，利用光電效應運作。
1) 熱：利用熱電元件採集環境熱能。
2) 振動：振動能量採集器透過電磁或壓電方法利用振動機械能，進而產生電能。
3) 無線電波：無線電波能量採集方法使用定向解決方案 (directed solution) 時較有效，但在使用環境能量實作時，有效功率有限。
表 I:能量採集器的一般輸出功率
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能源採集來源 |
環境位置 |
採集的電源 |
採集器考量 |
電路考量 |
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光 |
室內 |
10 µW/cm2 |
光線強度及波長 |
低功率效益、MPPT、單顆電池運作 |
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室外 |
10 mW/cm2 |
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醫療振動壓電 |
人體 |
4 µW/cm2 |
振幅及諧振頻率 |
AC/DC 轉換、阻抗匹配 |
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機械 |
250 µW/cm2 |
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醫療振動電磁 |
人體 |
50 µW/cm3 |
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機械 |
2 mW/cm3 |
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熱 |
人體 |
25 µW/cm2 |
熱梯度 (thermal gradient)、熱通量 (heat flux) |
低電壓啟動、在 200 mV 以下的輸入時達到高效率 |
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機械 |
10 mW/cm2 |
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無線電波 |
背景 |
0.1 µW/cm2 |
來源的距離及天線的諧振 |
高效率低電壓整流 |
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定向 |
1 mW/cm2 |
表 I 顯示來自不同轉能器的一般功率級別，以及採集器的重要考量因素。在一般情況下，大多數採集器都可以提供大約 10-50 µW/cm2 的平均功率。獲得的功率大小與採集器面積有關，大多取決於採集器的可用空間。以太陽能電池為例，可以看出採集器的特性。太陽能電池可以建模為一個與二極體並聯的電流來源，如圖 1 所示。分流電阻對漏電建立模型，而串聯電阻對接觸電池電阻建立模型。
光線照射在太陽能電池時，電池會產生流過輸出端的電流 IPH。電池為斷路時，該電流在輸出端形成電壓 VOC。在斷路和短路兩種極端情況之間，電池產生功率。在圖 1 中，紅色曲線表示太陽能電池的電流對比電壓特性。照明度增加，短路電流增加，對電池斷路電壓產生微弱影響。從太陽能電池獲得的功率在特定的電壓下達到最大，在該電壓任一端逐漸下降。這就是電池的最大功率點 (maximum power point) 。它與入射光及溫度等其他環境因素有關。由於高阻抗特性，其他轉換器都具有類似的最大功率點 (MPP) 特性。因此，如何選擇電源管理解決方案在 MPP 下運作，是必須考量的關鍵因素。
熱電發電機 (TEG) 用於採集環境熱能，並根據賽貝克效應 (Seebeck effect) [1] 產生電壓。熱能採集器的基本結構單元是溫差電耦。溫差電耦是由一個 n 型材料組成，並且與一個 p 型材料串聯。這種材料出現溫差時，熱開始從高溫面流向低溫面。熱能使自由電子和空穴移動，而形成電位 (power potential) 。一般常用的熱能採集器是由 p 和 n 摻雜碲化鉍 (Bismuth elluride) 所組成，碲化鉍具備絕佳的熱屬性。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:溫差電堆陣列和簡單的 TEG 電氣模型。
為了升高輸出電壓並獲得更多的功率 (見圖 2)，因而進行電串聯和熱並聯，形成能夠產生約 25 mV/K 溫差的溫差電堆。這種熱能採集器可以建立模型成為與電阻串聯的電壓源，其中的斷路電壓與溫度差呈比例關係。電阻來自於金屬互連和芯塊邊緣的電阻。由此模型可看出，若要達到最大功率，必須控制阻抗，以便與來自發電機的負載相匹配。熱能採集器有一點相當重要：周圍需要適當的熱流系統，才能保持熱能流通量及良好的溫差。如果 TEG 兩面都能夠達到熱平衡，則電功率輸出達到零。
採集環境機械能的一種普遍方法是利用壓電元件。圖3 顯示的壓電材料所承受的輸入振動在裝置中引起機械應力，轉換為電荷。PE 採集器的等效電路可以表示為一個機械彈簧質量系統，並且與電域連接。達到接近裝置的諧振頻率時，即可將整個電路轉換為電域[2]。壓電元件受到正弦振動激發時，即可模型化成為一個正弦電流來源，並且與電容 CP 和電阻 RP 並聯。
圖 3:質量及其電氣建模加載的壓電元件。
另外，利用電磁採集器也可採集機械能，並透過磁場以動能產生電能。為了達到最大的功率輸出，需要對採集器進行微調，以達到應用環境最佳的諧振頻率，並對整流器阻抗進行調節，以達到匹配的程度[2]。相較於壓電採集器，這些裝置的調節較為簡單，很容易就能夠達到所需的功率輸出。不過，這兩種機械能轉換器本身都具有諧振，而且運作頻帶較窄。
結論
概括來說，了解感測器的特性才能進行最佳的能量轉換，製作可行的能量採集系統。感測器電源管理的一些重要考量因素，包括能量源屬性、感測器特性及電源管理效能。只有深入了解上述重要參數，才能運用相符的電源管理解決方案，從轉換器中獲得最大輸出功率，並將功率有效儲存。有助於開發最佳效能的能量採集系統，充分運用於目標應用。
References
1. Seebeck effect: http://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_effect
2. Y. K. Ramadass, “Energy processing circuits for low-power applications,” Ph.D. dissertation, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, 2009
3. For more information on energy harvesting solutions from Texas Instruments, visit: www.ti.com/energyharvesting-ca.
關於作者
John Carpenter, Jr. 現任德州儀器電池管理解決方案設計工程師，負責 BICMOS 製程混合訊號應用的多面電路系統層級整合及 IC 設計，本身擁有美國南佛羅里達大學坦帕分校 (University of South Florida Tampa) 電機學士及碩士學位，另擁有 13 項專利，是 IEEE 資深成員、德州儀器技術小組資深成員及美國海軍儲備的退役海軍工程執勤官。
Yogesh Ramadass 現任德州儀器電池充電管理部類比/混合訊號設計工程師，目前專注於設計 TI 新一代能源採集介面電路及低功耗 DC-DC 轉換器，本身擁有美國麻省理工學院科學碩士及博士學位。
