能源收集取得进展

自供电装置的梦想已经存在了很长一段时间——实际上有几千年了。最早的风车和水车可以追溯到有历史记载的古希腊。自动上弦计时器可以追溯到18世纪末。自1851年以来，福柯钟摆一直在巴黎运动，除了一些短暂的中断。144年前，两位法国物理学家发现了压电现象，即在施加机械力的情况下，某些材料内部仍存在电荷。

在大多数情况下，这些发电方法都属于极其庞大但有效的范畴，就像风能、太阳能或水力发电一样，或者它们基本上仅限于科学实验。但是，随着人们对微型便携式设备(尤其是可穿戴和可植入电子设备)功能需求的增长，以及电池改进和集成电路功能之间的差距不断扩大，能量收集开始引起人们的重视和投资。

“实际上，这些来源的能量密度仍然很低，对于便携式应用程序来说，最好的情况是在微瓦范围内，尽管你可以从工业机器的振动中获得更高的能量密度，例如，”该公司首席技术官伯纳德•墨菲(Bernard Murphy)表示Atrenta．“更典型的是几十到几百皮瓦。因此，为智能手机供电还有很长的路要走，智能手机需要毫瓦，也需要任何可穿戴设备。”

就像当今大多数复杂的设计一样，没有灵丹妙药。暗硅的组合、复杂的开关方案、在某些情况下更少更明确的功能、更节能的架构和更好的软硬件协同设计都仍然是必需的。新利体育在线完整版低泄漏、新材料和方法，如宽I/O-2或硅通孔，以减少驱动信号所需的功率，也在考虑之中。但只要有可能，电池续航时间就能逐渐增加，这也没什么坏处。

墨菲说:“如果有大量的电力需求(大部分是关闭的，偶尔是打开的)，给电容器或超级电容器充电就可以了。”“来自周围无线环境的能量随着距离源距离的平方而下降，所以除非你能保证你离源很近，否则这是不可能的，这在工业应用中是可能的。”光伏和热电在每平方厘米几十微瓦的范围内。周围的无线信号会随着距离源的平方而下降，因此对于移动/可穿戴/植入设备的价值可以忽略不计。”

他指出，通过MEMS结构提高压电/柔刻方法的功率密度也在进行中，其中许多弯曲悬臂可以潜在地产生更高密度的功率。在实验室中，一个这样的发电机已经能够产生每平方厘米近0.8毫瓦的功率，接近手机的水平。”

新地方的新需求
不过，并不是所有的东西都需要这种水平的功率。但随着越来越多的设备变得移动和联网，肯定会有更多的电池需要充电。更多的电子产品，甚至在家里，至少有一个备用电池，而不仅仅是一个插头。

“如果你的房子里有1000件东西，你每年都要换一块电池，那平均每天要换三次电池，”密歇根州立大学的罗伯·艾特肯(Rob Aitken)说手臂的家伙。“还有其他选择吗?”能源回收，10年电池，或者每年来你家更换一次电池的电池服务。”

能量收集，也被称为“能量收集”，是最吸引人兴趣的选择，因为它对生活方式的破坏最小，而且它可以用来补充难以或不方便更换的电池。即使在目前能量收集的限制下，如果对芯片结构进行修改，它也是有用的。

艾特肯说:“因为功率在微瓦范围内，你必须改变计算的方式。”“一种选择是你可以一直运行一些东西。它从不休息，持续消耗80微瓦。这在某种程度上是计算模型的变化，但并非不可想象。你可以让一个微控制器在那种水平上运行，只要你限制通信，这样它就不会耗尽所有的通信能量，然后你就可以与其他东西进行交互。它在现有的计算模型中，但与我们现在使用的模型略有不同。”

如今，除了真正的商业产品外，还有其他一些与现有模式不同的产品正在进入市场。例如，Maxim Integrated刚刚推出了一款内置能量收集功能的安全NFC/RFID标签认证器，目标是医疗和工业市场。这种方法的不同之处在于标签的作用。

Maxim Integrated的执行业务经理Hamed Sanogo说:“阅读器向标签发送一个信号，然后标签从电波中恢复能量，启动电源，并将电波作为一种通信手段。”“我们已经可靠地清理了射频前端，使波进入部件。充电所需的能量在微瓦范围内，而阅读器设备在毫瓦范围内。”

Sanogo说，在过去，RFID/NFC标签会简单地释放多余的能量，但随着对极低功耗的关注，特别是在医疗应用和传感器中，每微瓦都很重要。在未来，阅读器也可能是智能手机，而不是专门的设备，发送到一个标签的能量可能被用来唤醒神经网络中的其他标签。

Maxim集成的能量收集架构。

设计注意事项
从IC设计的角度来看，能量收集增加了一些变化。其中一个涉及到分区。例如，当通信可能是与附近的设备而不是位于数百或数千码或几米远的基站进行时，会发生什么?

“其中一个重大的变化是在划分和放置，”PV Srinivas说，他是该公司地点和路线部门的高级工程总监导师图形．“你必须确保你能和你的邻居沟通。时间限制必须考虑在内，通信密度也是如此。哪里有什么电压?它是可缓冲的还是不可缓冲的?位置成为非常关键的因素。”

成本也是如此。能够通过各种方式降低电压和产生能量是必不可少的，但它也必须以低成本完成，因为许多将受益于能量收集的应用是价格敏感的。

“这些设计的目标是低成本和低功耗，你不能为了另一个而牺牲一个，”Krishna Balachandran，低功耗产品营销总监说节奏．“你想实现能量收集，但你也必须在这样做的时候降低成本。”

其他选项
虽然我们倾向于从动能或太阳能的角度来考虑能量收集，但在其他领域也有正在进行的工作。一个涉及到生物学。早在2008年，麻省理工学院的一组研究人员就发表了一篇论文纸2008年研究了植物和周围土壤之间的持续电压差。

Atrenta的Murphy说:“一些有趣的微生物燃料电池通过厌氧发酵过程产生，预计在工业规模上能够产生高达2KW的电力。”“植入式燃料电池可能更有可能使用基于酶的血糖氧化，并已被证明在2mW/cm²左右。但你必须每两年更换一次电池，这是缺点。”

麻省理工学院也在研究微型几年前，美国国防部高级研究计划局就在试验芯片大小的核反应堆。最终能否在商业上可行尚不得而知，但随着设计团队致力于在越来越小的设备上实现更大的功能，寻找绕过传统电池技术限制的方法，研究已经开始缓慢进行。