超低功耗可穿戴醫療設備四種能量採集方法

作者 : M. Di Paolo Emilio,EEWeb主編

能量收集解決方案已被設計為電池的輔助電源,或作為不受能耗限制的可穿戴設備永久使用的獨立電源。

電池供電連網設備的主要挑戰之一是自主性。更大的電池容量、更長的電池壽命,而電池體積卻不能增加,諸如此類的需求越來越多。例如有一些可穿戴設備可能是醫療植入物,這種設備不可能採用笨重的電池,促使電池技術正透過利用能量收集來滿足越來越多的需求。

對於具有較小外形尺寸的設備,例如暴增的物聯網(IoT)設備,能量收集具有令人難以想像的優勢。這些小型設備通常只需要很小的電流,從各種來源收集能量可能是一個極具價值的設計要點。

可穿戴醫療解決方案

用於醫療用途的可穿戴設備通常用於檢測、儲存和傳輸即時測量的人體重要參數(例如心率、血氧飽和度、呼吸速率),以報告某些關鍵指標的臨界超標狀況。根據Frost & Sullivan發表的「臨床和消費者健康中的可穿戴技術」一文中的分析,2020年全球醫療領域的可穿戴設備市場將達189億美元。

能量收集解決方案已被設計為電池的輔助電源,或作為不受能耗限制的可穿戴設備永久使用的獨立電源。但能量收集同時被認為是不可靠的能量來源,因為根據環境條件的變化,能量的可用性會隨著時間的推移而顯著變化。因此,可以將諸如振動、熱或太陽能等能量收集源與可充電電池結合使用。

摩擦電效應

摩擦生電是兩種不同材料在接觸和分離時產生表面電荷的過程。在其接觸過程中,每種材料都會產生一種極性相反的電荷。近年來,在開發摩擦電能量收集系統方面已經取得了進展,比如摩擦電奈米發電機(TENG)。這些系統需要的最基本零件包括:至少兩層摩擦電材料、它們之間的物理隔離、用於收集電能的電極,以及用來最大化收集效率的調節電路(圖1)。

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圖1 TENG調節電路;t1表示開關閉合時(能量由LC單元儲存),t2表示開關打開時(能量由LC單元釋放)。

如圖1所示,TENG中傳統DC-DC降壓轉換器與AC-DC降壓轉換電路耦合。在開關和負載電阻R之間,依次添加二極體D1、串聯電感L和電容C。開關不僅用於最大化能量傳輸,還用於將輸入降壓發送到電路,該開關可以透過帶有MOSFET的微功率電壓比較器來實現,以整合自我管理機制。

熱能

熱能收集是指擷取環境中隨處可得的熱量,或收集引擎、人體和其他來源排出的廢能並重新投入使用的過程。利用塞貝克效應(Seebeck Effect)可以實現將熱能直接轉換成電能,透過適當設計的熱電裝置誘發的熱流產生電壓和電流。PN接面是熱電發電機(TEG)的基本元件,它由P型和N型的單一結構熱電材料組成,多個PN接面串聯起來構成TEG。

如果將多個PN電、熱學並聯,可以構建典型的TEG模組,產生與熱梯度成比例的電壓。熱電或TEG發電模組已經用於多項應用中,例如太空船,它們收集由放射性物質衰變所釋放的熱能。

可穿戴醫療電子產品這個新興領域也在透過體溫加熱裝置提供熱電,從而為能量收集提供了巨大潛力。

振動能量

振動能量收集,是利用旋轉機器(例如馬達)或人體運動產生的相關自然低電平電源,它們可以產生數百微瓦或1毫瓦的能量。

振動能量收集所使用的壓電感測器是一種不對稱晶體。這種材料的晶格單元具有不對稱性,可以建立這樣一種機制,即透過使晶體變形而造成小電位差。

但是,為了「調整」壓電感測器的特性,必須充分瞭解振動物體的頻率分佈並找到其諧振頻率。對於諸如馬達這類應用,振動特性和諧振頻率是眾所周知的。對於其他應用,要充分理解就需要採用加速度計測量物體的振動,並透過快速傅立葉轉換(FFT)獲得的資料分析其頻率特性,從而找到諧振頻率。

射頻能量

射頻無線能量收集可以為可攜式裝置提供更長的電池壽命。電磁波來自各種源頭,如衛星站、GSM和無線網際網路。射頻能量收集系統可以擷取電磁能量並將其轉換為可用的CC電壓,其主要佈局由天線和整流器電路組成,整流器電路用於將射頻功率或交流電(CA)轉換為CC訊號,另外阻抗匹配網路(IMN)用來確保射頻源和負載之間的最大功率傳輸。

電源管理

電源管理在小型和可穿戴整合系統中尤為重要,例如醫療監控設備、物件追蹤系統,以及其他需要低配置且經濟高效的行動運算解決方案的應用。目前的趨勢仍然是使用超級電容,它提供一種基於奈米技術的儲存能量新方法。與電池不同,超級電容可在幾秒鐘內充電,並可承受近乎無限的充電週期。超級電容的能量密度高於標準電容,但低於物聯網系統中使用的標準電池…

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