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四种用于超低功耗可穿戴医疗设备的能量采集方法

时间:2019-11-25 作者:M. Di Paolo Emilio,EE Times特约作者 阅读:
能量收集解决方案已被设计为电池的辅助电源,或作为不受能耗限制的可穿戴设备永久使用的独立电源。

电池供电连网设备的主要挑战之一是自主性。更大的电池容量、更长的电池寿命,而电池体积却不能增加,诸如此类的需求越来越多。例如有一些可穿戴设备可能是医疗植入物,这种设备不可能采用笨重的电池,促使电池技术正透过利用能量收集来满足越来越多的需求。

对于具有较小外形尺寸的设备,例如暴增的物联网(IoT)设备,能量收集具有令人难以想象的优势。这些小型设备通常只需要很小的电流,从各种来源收集能量可能是一个极具价值的设计要点。

可穿戴医疗解决方案

用于医疗用途的可穿戴设备通常用于检测、储存和传输实时测量的人体重要参数(例如心率、血氧饱和度、呼吸速率),以报告某些关键指标的临界超标状况。根据Frost & Sullivan发表的「临床和消费者健康中的可穿戴技术」一文中的分析,2020年全球医疗领域的可穿戴设备市场将达189亿美元。

能量收集解决方案已被设计为电池的辅助电源,或作为不受能耗限制的可穿戴设备永久使用的独立电源。但能量收集同时被认为是不可靠的能量来源,因为根据环境条件的变化,能量的可用性会随着时间的推移而显著变化。因此,可以将诸如振动、热或太阳能等能量收集源与可充电电池结合使用。

摩擦电效应

摩擦生电是两种不同材料在接触和分离时产生表面电荷的过程。在其接触过程中,每种材料都会产生一种极性相反的电荷。近年来,在开发摩擦电能量收集系统方面已经取得了进展,比如摩擦电奈米发电机(TENG)。这些系统需要的最基本零件包括:至少两层摩擦电材料、它们之间的物理隔离、用于收集电能的电极,以及用来最大化收集效率的调节电路(图1)。

 

图1 TENG调节电路;t1表示开关闭合时(能量由LC单元储存),t2表示开关打开时(能量由LC单元释放)。

如图1所示,TENG中传统DC-DC降压转换器与AC-DC降压转换电路耦合。在开关和负载电阻R之间,依次添加二极管D1、串联电感L和电容C。开关不仅用于最大化能量传输,还用于将输入降压发送到电路,该开关可以透过带有MOSFET的微功率电压比较器来实现,以整合自我管理机制。

热能

热能收集是指撷取环境中随处可得的热量,或收集引擎、人体和其他来源排出的废能并重新投入使用的过程。利用塞贝克效应(Seebeck Effect)可以实现将热能直接转换成电能,透过适当设计的热电装置诱发的热流产生电压和电流。PN接面是热电发电机(TEG)的基本组件,它由P型和N型的单一结构热电材料组成,多个PN接面串联起来构成TEG。

如果将多个PN电、热学并联,可以构建典型的TEG模块,产生与热梯度成比例的电压。热电或TEG发电模块已经用于多项应用中,例如宇宙飞船,它们收集由放射性物质衰变所释放的热能。

可穿戴医疗电子产品这个新兴领域也在透过体温加热装置提供热电,从而为能量收集提供了巨大潜力。

振动能量

振动能量收集,是利用旋转机器(例如马达)或人体运动产生的相关自然低电平电源,它们可以产生数百微瓦或1毫瓦的能量。

振动能量收集所使用的压电传感器是一种不对称晶体。这种材料的晶格单元具有不对称性,可以建立这样一种机制,即透过使晶体变形而造成小电位差。

但是,为了「调整」压电传感器的特性,必须充分了解振动物体的频率分布并找到其谐振频率。对于诸如马达这类应用,振动特性和谐振频率是众所周知的。对于其他应用,要充分理解就需要采用加速度计测量物体的振动,并透过快速傅立叶变换(FFT)获得的数据分析其频率特性,从而找到谐振频率。

射频能量

射频无线能量收集可以为便携设备提供更长的电池寿命。电磁波来自各种源头,如卫星站、GSM和无线因特网。射频能量收集系统可以撷取电磁能量并将其转换为可用的CC电压,其主要布局由天线和整流器电路组成,整流器电路用于将射频功率或交流电(CA)转换为CC讯号,另外阻抗匹配网络(IMN)用来确保射频源和负载之间的最大功率传输。

电源管理

电源管理在小型和可穿戴整合系统中尤为重要,例如医疗监控设备、对象追踪系统,以及其他需要低配置且经济高效的行动运算解决方案的应用。目前的趋势仍然是使用超级电容,它提供一种基于奈米技术的储存能量新方法。与电池不同,超级电容可在几秒钟内充电,并可承受近乎无限的充电周期。超级电容的能量密度高于标准电容,但低于物联网系统中使用的标准电池(图2)。

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图2 BestCap BZ系列超级电容。(数据源:AVX)

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