原创 “微型能源采集技术”进入人们视野

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“微型能量采集”技术，顾名思义就是将身边的能量收集起来。通俗来讲，就是利用振动、光、热以及电磁波，“收获”在我们身边的小能量。这种技术将“丢弃循环再利用”这个概念进行了非常形象的阐述。

图1 现实生活中的能源圈

图2 有关日常生活的能量

从广义上讲，能够采集的能源包括各种来源，比如动能（风、波、重力、振动等）、电磁能（光伏、电磁波等）、热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）、原子能（原子核能、放射性衰变等）或生物能（生物燃料、生物质能等）。就如上面图1显示，我们生活周围有很多能源来源，例如汽车的振动和散热，基站的电磁波，大自然的风能等。那么对于这些能源来说，我们将他们采集的意义为何？如何采集？又如何利用呢？

意义

有人举出很多例子来证明能源采集的好处，其实我有几个很简单的例子可以描述一下。假如你离可以供电的设备非常远，恰好你身边的笔记本、手机等终端都没有电了，此时你应该怎么办？这个时候你就会在心里想是否还有比电池解决方案更好的供电方案呢？

现在能源采集技术广泛而多样化，我们今天讲到的微型能源采集技术就是一个比较明确的可替代电池的细分市场。

其实这种能源采集的技术已经有一些产品的应用。例如最基础的太阳能充电计算器，心脏起搏器利用心跳采集能量供电，一些运动手表利用人体的运动振动转化成为手表的电能，无线电广播产品采用振动能为无线电系统供电，医用测量仪器利用手持振动对仪器蓄电，在这些例子里，不难看到传感器的应用。当然传感转换技术只是整个能量采集系统的一部分。有效的能源采集系统包括非常多的组件，如电源管理芯片（DC-DC,PMIC）、超低功耗微处理器 (MCU)、超低功耗存储器件比如铁电存储器（FRAM）以及RF模块。

不一样的“目标”

像上图所画，富士通半导体一直在设想有哪些解决方案可以使这些生活中随处可见的能源被收集起来。生活中，我们可以知道水管理系统是使用液压动力，因为我们知道没有电网会存在于水的周围；我们也知道远距离车锁这种技术等等。日常生活中，这些应用如果你使用电池，你就需要手动更换电池。电池确实是非常便宜，但是基础设施变动的费用将会是非常昂贵的。那么，此时能源采集方案就是解决方案。

没有电池的遥控器像一个传感器节点，可以感受光、温度和湿度。这个系统现在被用在家庭能源管理系以及建筑节能管理系统。在这个系统里，本地定位系统与太阳能电池相互连接,形成一个GPS，它可以连接智能手机,你就可以随时知道你的家人在哪里。

富士通半导体现在就在做着这些… …

抽象到形象再到实物

就像上面介绍的，实际的微型能源采集方案不一定是真正在外部展示的实物，但是，运用到这种技术的实物，那是很多的。

一个典型的能量收集系统或无线传感器节点 (WSN)系统是 由 4 个部分组成，如图3 所示。它们分别为能量源(环境)；能量转换；电源管理芯片（PMIC）；把节点与接收端结合的部分(由传感器，MCU，FRAM组成，负责处理测量数据并将数据储存储)；由短程无线单元组成的通信组件，用于能量最终的传递接收。

图 3：一个典型的能量收集系统主要组成方框图

对于工程设计人员来说，能量采集技术实现的设计环境与以往有很大不同。设计人员必须清楚如何选择合适的IC来设计自己的电路。在微型能源采集过程中，对IC的要求也会较高，而在这时，亚微米器件以及微米器件将独显优势。

富士通半导体最新推出了能量采集电源管理集成电路系列。这个系列的集成电路是用来进行光源/振动能量管理的超低功耗电路。集成电路包含用于光能\振动电源管理超低功耗的降压DC/DC转换器（Buck），以及能够用于光源能量管理超低电压启动的升压DC/DC转换器（Boost）。

图4 超低功耗降压DC/DC转换器原理图

超低功耗降压DC/DC转换器(Buck)是专为振动或光源能量管理设计，可同时支持振动及光能能量管理。图4为这款降压转换器的原理图。DC-DC内置全波桥式整流器，支持AC或者DC电压输入。。该低功耗DC/DC降压器使用富士通半导体最新超低功耗技术，显著降低其功耗；待机电流消耗:1.5 uA(S0 = S1 = S2 = 0 v,VIN = 4.0 v)；通过迟滞比较器法快速得到负载瞬态响应；输入电压范围:2.7 V至21 V；可选择的输出电压:1.8 V,2.5 V,3.3 V,3.6 V,4.1 V,4.6 V,5.0 V；输出负载电流:100毫安(最大)；分流功能保护输入 (VIN)少于20 V。

图5 超低电压启动升压DC/DC转换器原理图

光源超低电压升压DC/DC转换器是通过富士通半导体最新技术研发，可以在0.35v的超低输入电压下启动。图5 是这款升压转换器的原理图。该芯片具有最大功率点跟踪(MPPT)的特性，MPPT能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。该转换器具有以下特性：输入电压范围:0.3 V至5.0 V；输出电压范围:3.0 V至5.25 V；启动电压(min):0.35V；无负载电流消耗：30uA；充电器为单个或多个太阳能电池；内置MPPT能够高效；自动脉波频率调变，PWM操作效率高。

这款光源电源管理集成电路应用范围非常广，支持太阳光、室内光等各种光源能量管理。电力发电、远程控制、无线传感器节点控制等等，都能用到这个解决方案，富士通半导体在能量采集方面最大程度的为工程师提供了发展空间。对于绿色节能而言，富士通半导体非常期待最大限度的利用科学和自身的技术发展为能源再利用做出贡献。当然，越是新型的能源，面临的挑战也就越大，但是我们坚信创新和机遇来源于挑战。