利用振動和熱能為IoT裝置供電

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

在利用環境現象擷取能量的各種方法中,以壓電元件將振動轉化為電能的途徑特別有效…

實現所謂的「零功率」(zero-power)感測器,需要從環境中的能量來源採集能量。在將選擇範圍縮小到可用的能量來源之後,下一個標準將是可用和所需的能量大小。

採集太陽能和風能可為高功率解決方案提供堅實的基礎。熱量通常可見於引擎、機器和其他來源的廢棄副產物。

熱梯度

熱梯度(thermal-gradient)採集是擷取環境熱量並將其投入使用的過程。在利用環境現象擷取能量的眾多方法中,利用壓電元件將振動轉化為電能的方法似乎特別有效,根據尺寸和結構,它能夠產生數百微瓦的電能(µW/cm2)。

透過溫度梯度採集能量,主要是利用熱釋電(pyroelectric)和熱電解決方案實現的。熱釋電的應用有限,因為它需要可變的溫度輸入,而其他方法則可以提供數十萬小時的不間斷工作,但效率很低。熱電解決方案是由帕爾貼(Peltier)元件實現的。

「典型的熱電材料有碲化鉍(Bi2Te3)、碲化鉛(PbTe)、三銻化鈷(CoSb3)和矽鍺(SiGe),所有這些材料都能提供良好的性能。」Applied Thermoelectric Solutions創辦人兼技術長Alfred Piggott表示,「使用這些材料,熱電發電機在設計合理的情況下,理想應用中可實現高達9%~11%的效率。哪一種材料最好取決於許多考慮因素,但主要取決於熱傳導發電機的應用、預算和設計。」

理想的熱電材料應該具有低熱導率、高電導率和高塞貝克(Seebeck)係數。利用熱電效應實現能量採集,要歸功於發現賽貝克效應(Seebeck effect)的德國科學家Thomas Johann Seebeck。在熱電裝置中,當不同的溫度結合時就會產生電壓。同樣地,當施加電壓時也會產生溫差。材料或元件在單位溫度下產生電壓的能力被稱為塞貝克效應。

通常,用於創建p區域和n區域的材料可實現每個元件的輸出電壓為0.2mV/K (Bi2Te3),而如果熱電變換器使用多個p和n對,則可以獲得更高的值(在ΔT=10K下使用10個元件時可產生20mV的電壓)。來源的等效模型可用帶有RT輸出電阻的戴維寧(Thévenin)發電機表示,可提供給負載的最大功率則可透過阻抗適配Rload=RT獲得。

兩點之間的溫差導致熱能從最高溫度點流向最低溫度點。在達到熱平衡之前,熱量將一直流動,並可用來採集可重複使用的能量。從熱交換中提取能量的過程受熱力學定律支配。

法國實驗物理學家Jean Charles Athanase Peltier發現,當兩個導體的交叉點有電流流過時,就會發生加熱或冷卻。無論是向上還是向下,電流的方向決定了溫度變化的方向。產生或吸收的熱量與電流有關,這個比例常數稱為帕爾貼係數。

1S234-H5FR-1803XB壓電晶體將振動轉化為電能。(圖片來源:Piezo.com)

壓電效應

機械振動是另一種為電子系統提供充足能源解決方案的方法。透過使用允許移動的特殊質量(mass)和特定系統的壓電換能器振動,已被廣泛應用於能量採集應用。

壓電轉換器利用直接壓電效應,即某些晶體在受到機械應變時產生電位差的特性。這種效應發生在奈米級且是可逆的。最近,聚合物塑膠基壓電材料(如聚偏二氟乙烯或PVDF)已被開發出來,業界正致力於尋找新材料和開發更先進的製造製程。

壓電效應將振動或衝擊形式的動能轉化為電能。壓電發電機(能量採集器)透過將通常廢棄至環境中的振動能量轉化為可用的電能,提供了一種穩定可靠的解決方案。它們非常適合需要為電池充電、為超級電容器供電或直接為遠端感測器系統供電的應用(1)。

系統的總體性能取決於許多因素,例如輸入振動、換能器的幾何形狀和材料,引起振動的質量以及電子介面。由於這個原因,即使在早期設計階段,也強烈建議對換能器和電路接面行為進行快速、可靠的定量估計,以便最佳化整個系統。

壓電效應的分析可以用2所示的電路來概括。電感LM代表等效慣性品質,電容CM代表換能器的彈性,電阻器RM代表機械損耗。機械部份由力產生器FIN提供動力,這與反饋力產生器α-VP相反,後者由電容CP上元件輸出上產生的電壓控制(逆壓電效應)。同時,機械速度ż會產生電流βż,用於提供電容輸出(壓電的直接影響)和連接到換能器的其他可能的電氣負載。因此,模型辨識涉及獨立參數LM、CM、RM、CP、α和β (2)。α和β是與系統相關的熱係數。

2:壓電效應的等效電路。(圖片來源:“A piezoelectric vibration based generator for wireless electronics.”Smart Materials and Structures 13 (2004) 1131-1142)

電源管理IC

利用溫差可以進行發電。太陽熱能和地熱系統產生的廢熱,甚至家用電器產生的排放電流都可以被採集起來。

假設使用電池供電的無線物聯網(IoT)裝置在由人體、烤箱和馬達等產生的溫度梯度環境中運行。如果沒有能量採集,此類裝置的電池就需要更換,因為它們會釋放能量。這就會產生營運成本。根據可用的溫度梯度,熱電發電機(TEG)可產生20µW/cm²至10mW/cm²的功率。TEG和壓電感測器與電源管理IC (PMIC)相結合,可為IoT裝置中的電池充電。

「熱電能量採集系統的設計考慮因素包括電氣和熱能要求、熱電材料、特定應用的考慮因素、耐久性目標、銷售價格和工程預算。」Piggott表示,振動是一種無處不在的能量來源。路上的每輛車都會在柏油路面和駕駛室中產生振動。考慮到全世界高速公路上的汽車數量,顯而易見,從振動中獲取能量是很有吸引力的。

Maxim Integrated的MAX17710 PMIC是一款用於為微功率儲存電池提供充電和保護的完整系統,也可以用它來管理穩壓不良的電源,例如輸出範圍為1µW至100mW的採集裝置(3)。

3MAX17710的簡化工作電路圖。(圖片來源:Maxim Integrated)

比利時能量採集解決方案供應商e-peas推出AEM30940整合能量管理子系統,用於從TEG、壓電發電機、微型渦輪發電機或高頻RF輸入中提取直流電,同時將能量儲存在可充電元件中,並為系統提供兩個獨立的穩壓電壓。該PMIC整合了一個超低功率升壓轉換器,可為鋰離子電池、薄膜電池或超級電容器或傳統電容器等儲電元件充電。它可以在輸入電壓低至380mV、輸入功率僅為3μW的情況下開始運行(4)。

4AEM30940的典型應用電路。(圖片來源:e-peas)

5所示的LTC3588-1 IC提供了一種完整的能量儲存解決方案,它針對壓電感測器等高阻抗產生器進行了最佳化。ADI這款電路具有一個低損耗全波整流器和一個高效同步降壓轉換器,可將輸入端儲電元件的能量傳輸到能夠為高達100mA的負載供電的穩壓輸出端。它採用3mm×3mm DFN或10導體MSE封裝。

5:完整的能量儲存解決方案,針對壓電感測器等高阻抗產生器進行最佳化。(圖片來源:ADI)

為了有效地設計完全自主的無線感測器系統,需要使用低功耗MCU和感測器,在低功耗環境中消耗最少的電量。此類系統的電源解決方案可能包括儲存感測器本身的本地環境中可用機械能、熱能或電磁能。

超級電容是能量採集的技術先決條件。它們具有電解電容和充電電池的功能特性,但每單位容量或質量可儲存比普通電解電容多10到100倍的能量。相較於典型的充電電池,它們能以更高的速度累積電荷,並能承受更多的充放電週期次數。

(參考原文:Thermal and Vibration Energy Powers IoT Devices,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年9月號雜誌

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