微弱能量收集电路技术的研究现状与发展趋势*

荣 训， 陈志敏， 曹广忠

(深圳大学 自动化研究所 深圳电磁控制重点实验室，广东 深圳 518060)



微弱能量收集电路技术的研究现状与发展趋势*

荣 训， 陈志敏， 曹广忠

(深圳大学 自动化研究所 深圳电磁控制重点实验室，广东 深圳 518060)

随着物联网的发展和无线传感器网络的广泛使用，以电池为主的供能方式弊端日渐显露，微弱能量收集因其诸多优点而得到了极大重视。介绍了目前微弱能量收集电路技术研究的现状，对目前的微弱能量收集电路技术进行了分析，阐述了多种微弱能量的收集，介绍了目前高效率的微弱能量收集电路的设计模式。结合目前微弱能量收集电路的优缺点，展望了能量收集电路技术未来的研究趋势和方向。

能量收集电路； 物联网； 无线传感器网络； 微弱能量收集技术

0 引 言

在过去的十多年里，处理、存储和通信技术得到了飞速发展，与之相比,电源技术进步的速度要小得多，能量密度上无明显提高[1]。但传感器和交互节点网络方面已取得很大的研究成果，由于网络节点在数量上的增加和在尺寸上的减少，对电源的体积、寿命和能量密度要求越来越严格，传统上远程无线传感器一直依靠电池供电来测量数据并以无线方式发送数据[2]。这种方式工作可靠，但传感器网络的可用寿命取决于电池的可用寿命[3]。这些电池一般能持续工作3～5年时间，在每个传感器节点中都属于昂贵的组件。在有些应用中难以更换电池，而且更换电池费用高昂。因此，人们希望能实现传感器的自供电，将自供电系统用在传感器网络系统中，可取代电池或延长电池的使用寿命[4,5]。与之相关的能量收集技术也得到人们越来越多的重视，最近国际上研究的热点是微弱能量收集技术[6,7]。

本文介绍了目前微弱能量收集电路技术研究的现状，对目前的微弱能量收集电路技术进行分析。阐述了多种微弱能量的收集，介绍了目前高效率的微弱能量收集电路的设计模式。结合目前微弱能量收集电路的优缺点，对未来微弱能量收集电路技术的研究趋势做了几点思考。

1 多种微弱能量的收集技术

微弱能量收集作为一种减少或消除对电池需求的方法已经获得广泛的关注。一些通过利用来自人或者环境的能量收集的方法已经可以使用[8，9]。电池的局限性使得微弱能量收集得到更广的利用，但是高效的收集微弱能量结合若干领域知识的多学科方法是必要的，包括电子、机械、材料和工艺。目前，微机电系统发电和能量收集器可以从振动、电磁、热能、摩擦等中获得能量[10～14]。人们把获得的这些能量储存在可重复充电的电池中或者直接给传感器供电。

1.1 振动能量收集

环境中振动无处不在，而且便于收集，压电陶瓷压电常数大，灵敏度高，制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能。因此，在目前的振动能量收集中，使用最多的是压电能量收集器[15]。在众多的压电振动能量收集结构中，单悬臂梁结构发展最为成熟，无论是在理论研究还是在实验研究方面，目前已经积累了大量可供参考的成果[16]。这主要依赖于单悬臂梁结构的压电发电装置的结构最为简单。通常，单悬臂梁结构的压电发电装置固有频率较高，而环境振源的频率一般较低，因此，为了降低单悬臂梁结构振动的固有频率，通常在臂梁末端加装一金属质量块，其典型结构如图1所示。

图1 压电发电装置结构图

压电陶瓷的发电原理正是利用压电材料的压电效应将机械振动转换为电能。

1.2 电磁能量收集

20世纪30年代早期，在法拉第发现电磁感应定律现象不久后，电磁感应已被用于发电。现在使用的大多数发电机是基于旋转运动的电磁感应，从大规模发电到汽车电池充电，电磁发电被应用于各领域。无论使用转动或平动器件，电磁发电可以用于μW到mW量集的能量收集。如图2是Liu Huicong等人[17]设计的一种电磁发电机的结构图。通过晃动电磁发电机，中间的磁铁上下晃动，磁场发生变化，使得线圈产生感应电流和电压，从而产生电能。

图2 电磁发电器结构图

1.3 热能量的收集

在自然界和人工装置中，温度梯度和热流无处不在，这为从环境中收集热电能量提供可能。通过热电能量转换，可以将环境中存在的温度梯度和热流转换为电能。温差为有效的能量转换提供了电势，而热流则提供了功率[18]。虽然从热能中提取的功率很低，但对于无线传感器这样的特殊低功率器件，热电能量收集是切实可行的，并且随着这些应用所需的功率不断降低，热电能量收集将被广泛的采用。 2014年,Prijic A等人[19]设计的热能收集器实现了收集环境中热能量的收集。

1.4 摩擦能量收集

摩擦起电现象几乎存在于任何地方和任何时间，是一种很普遍的、很古老的现象。大概从古希腊时期开始，这个现象就几乎是每个科研工作者，甚至是每个人都知道的物理现象。但是，人们常常认为摩擦起电是一种负面效应，在许多情况下人们都通过各种技术途径来回避摩擦起电。2006年，美国佐治亚理工学院的王中林教授小组发明了基于摩擦起电效应和静电感应相结合的摩擦纳米发电机[20]，这种发电机能够用来将物体间的摩擦转换为电能。摩擦纳米发电机作为一种能量产生单元，由于摩擦电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差，从而产生电能[21，22]。如图3是Zhu Guang等人[23]最近做成的旋转摩擦纳米发电机的结构图，通过转子的转动，带动定子转动，使得电极与转盘摩擦，然后产生电能，从而实现摩擦能量的收集。

图3 旋转摩擦纳米发电机结构图

2 微弱能量收集的电能的特性

每种微弱能量收集的原理都不同，也导致了收集的电能各具特色，它们也有各自适用的场合。如摩擦能转换效率高[24]，但是必须要通过特定的材料接触摩擦才能运作，而热能的转换必须利用热电材料两端的温度差，适用于会发热的环境中。振动能也必须将发电装置安放在具有振动源的环境中才可使用。如表1是各种形式能量收集的电能的特性。

由表1可知，各种形式能量收集器的功率密度都是μW级别，能够把环境周围未能利用的能量转换成有用的电能。通过能量收集器收集到的电能，一般都是电压比较高，但电流很小，且高阻抗，不能直接供给电子产品使用。在过去，由于能量收集技术的限制，这些能量很少被利用起来，然而随着科技的进步和微机电系统的发展，以及微弱能量收集电路技术的提高，这些微弱能量越来越多地被利用起来[25]。

表1 各种形式能量收集的电能的特性

Tab 1 Electric energy features of various kinds of forms energy harvesting

能量源功率密度(μW/cm3)电能的形式电压的级别(V)振动能0～200正弦波0～100电磁能0～1脉冲波0～5热能15(10℃温差)无规则0～1摩擦能200～2000正弦波或者脉冲波0～1000

3 微弱能量收集电路技术

微弱能量收集电路一般由能量收集器、电源管理电路、能量存储电路和控制电路四部分组成[26，27]。能量收集器将外界的能量转换为电能输出给电源管理电路，电源管理电路将电压升高、降低或者变换后输出给负载供电或者给电池充电[28]。能量存储电路将电能存贮起来以备外界可收集的能量不足时给器件供电。控制电路控制输出电压的大小或者电池的充放电等[27]。目前，国内外研究者所设计的微弱能量收集电路主要有以下三种。

3.1 传统的微弱能量收集电路技术

能量收集器收集的能量不能直接给传感器供电，需要经过能量收集电路的处理后才能给传感器供电。SodanoH A等人[30,31]研究了不同的压电能量收集器和利用电容器或充电电池进行能量存储的方法。Ottman C K等人[32]开发了一种高效电路，用于存储电荷和为负载供电。Lefeuvre E和Badel A等人[33,34]开发了一种新型功率流优化方法，用于提高能量转换效率，这种方法基于“电感式同步开关收集技术”(SSHI)，相比于其它微弱能量收集电路，这种方法虽然提高了能量收集效率，但多数需要提供外部电源使微处理器产生开关信号。朱莉娅[35]用改进型的SSHI电路对悬臂梁压电能量收集器进行了实验研究，她所用的微弱能量收集电路包括开关控制电路、全桥整流电路和一个滤波电容器，该电路实质上是一个AC/DC变换电路，电路中全桥整流器的作用是将能量收集器输出的交流电压转换成直流电压。

如图 4所示，Li Yani 等人[36]设计的数字开关控制整流的能量收集电路，不需要控制器来产生开关信号。通过开关的控制来达到整流的目地，然后在对直流电进行变换，再给负载供电，他们的设计把电路的整个功耗降低到了1.42 μW。

图4 数字开关控制的能量收集电路

3.2 采用芯片的微弱能量收集电路技术

为了扩大能量收集的范围和提高能量收集的效率和芯片制造技术的发展，很多半导体公司推出了低功耗的能量收集有关的芯片，因此，很多研究者采用的设计思路是用低功耗芯片来设计能量收集电路，减少电路的消耗。2010年，Salleh H等人[37]利用XC616和LTC1934进行联合仿真，从理论上证明了用芯片设计的微弱能量收集电路的可行性。2012年，Xu Yifan等人[38]用LTC3588—1能量收集芯片实现了收集树木摆动所产生的微弱能量。Rohan Dayal等人[39]用LTC6992PWM波芯片和外围电路相结合，实现了电磁发电的能量收集。如图5是Prijic A等人[40]2014年采用芯片设计的微弱能量收集电路。电路采用LTC3108能量收集芯片，该芯片是美国凌力尔特公司推出的集超低电压、升压器和电源管理器于一体的DC/DC转换器。输入电压最低为20 mV，具有极低的静态电流，输出则可以设置为四种固定电压之一，用于为一个无线发送器或传感器供电。

图5 采用芯片的微弱能量收集电路

3.3 采用高度集成电路的微弱能量收集电路技术

使用芯片来设计能量收集电路，可以高效收集微弱能量，但是由于可以收集的微弱能量有多种形式。很多时候无法找到一种合适的芯片来满足的设计要求。为了解决这样的问题，很多研究者自己设计微弱能量收集电路，然后把自己设计的电路做成高度集成的电路，这样不仅满足实际的要求，而且功耗也非常低。2011年，Dallago E等人[41]将AC/DC电路、控制电路、存储电路集成在一起，实现能量的收集和自供电。2012年,Ulusan等人[42]设计的自供电整流集成电路，使得微弱能量的收集效率达到了92 %。2014年,Ying-Khai Teh等人[43]把设计的能量收集电路通过高度的集成，实现了高效率的能量收集和21 mV的超低电压电路的自启动。图6是Aktakka E E等人[44]2014年设计的集成电路的结构图，将能量收集、能量存储、电源管理、传感器等全部集成在电路板上，不仅减小了能量收集装置的尺寸，而且最大限度地降低了电路的功耗。

图6 集成电路的结构图

4 微弱能量收集电路技术的发展趋势

对于目前使用最广泛的三类微弱能量收集电路，它们有各自的优缺点。数字开关控制的能量收集电路使用的电子器件比较多，导致电路的压降大，输出的电压不稳定，但是制作价格低廉；采用芯片的能量收集电路，使得设计能量收集电路变得方便、简单，但是容易受到芯片性能的限制，找到完全符合多种形式微弱能量收集的芯片也不是很容易，而芯片价格也不便宜；采用高度集成电路的能量收集电路，可以灵活地应用于多种形式的微弱能量收集，应用受到的限制少，但是制作成本高。

由于微弱能量收集越来越受到重视，加上与之相关的技术发展，微弱能量收集电路将整合各类电路的优点，使得电路的功耗减小、成本降低、体积微型化、能量的收集效率得到提高。而且未来微弱能量的收集将会变得多元化，一个能量收集装置，可以收集多种形式的微弱能量，将提高微弱能量收集的能力。相信在不久的将来微弱能量收集技术将被应用到各个领域，而且有望成为电池的替代品，为各类微机电系统和低功率无源传感器提供动力。

5 结 论

本文介绍了微弱能量收集电路技术研究的现状，对目前的微弱能量收集电路技术进行了分析，阐述了多种微弱能量的收集，介绍了目前高效率的微弱能量收集电路的设计模式。结合目前微弱能量收集电路的优缺点，展望了微弱能量收集电路技术未来朝着多元化、低成本、微小化、集成化方向发展，在未来将会被应用到各个领域。

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Research status and developing trend of ultra low energyharvesting circuit technology*

RONG Xun, CHEN Zhi-min, CAO Guang-zhong

(Shenzhen Key Laboratory of Electromagnetic Control， Institute of Automation,Shenzhen University，Shenzhen 518060，China )

With development of Internet of things(IoT)and widespread usage of wireless sensor networks(WSNs)，disadvantages of energy supply form which mainly based on battery come out more and more，because of many advantages of ultra low energy harvesting technology，it has received a great deal of attention.Present research situation of ultra low energy harvesting circuit technology is introduced，current ultra low energy harvesting circuit technology is analyzed， and harvesting of many types of ultra low energy is described，furthermore，design patterns of ultra low energy harvesting circuit which has high efficiency is introduced.Combine with advantages and disadvantages of present ultra low energy harvesting circuit，future research trends and directions of energy harvesting circuit technology is prospected.

energy harvesting circuit； Internet of things(IoT); wireless sensor networks(WSNs)； ultra low energy harvesting technology

2015—07—07

国家自然科学基金资助项目 (51275312)； 深圳市战略新兴产业发展专项资金资助项目(JCYJ20140418182819160)

10.13873/J.1000—9787(2015)09—0006—05

TK01

A

1000—9787(2015)09—0006—05

荣 训(1990-)，男，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向能量收集技术。