能量收集的极限

能量收集曾被认为是低功耗设计的廉价替代品，也是在移动设备中实现几乎无限电力的一种方式，但现在人们对它的期望已趋于温和。

这种方法产生的能量通过各种方式——从太阳到运动到环境射频，甚至土壤和树木之间的pH值差异——已经被证明是有效的。问题是，对于大多数应用来说，它不能足够快地产生足够的能量。和大多数人一样模拟电路，它不会收缩。能量采集模块往往很笨重，增加了设计面积和成本。

图1:热能收集装置。来源:δ

“如果你不消耗大量的能量，就没有必要收集能量，”格特·约根森(Gert Jørgensen)说三角洲的ASIC。“如果你确实燃烧了大量的能量，那么能量收集就不会起作用。我们看到这个工作在10毫瓦到100毫瓦的范围内，但电池仍然便宜20倍。能源收集技术规模很大。你有收集元素，电源管理和存储。如果你把它和电池相比，电池会更小。”

当第一批智能手表在2014年上市时，大多数设备都是基于28纳米或40纳米的逻辑。消费者抱怨说，其中一些手表用不了一天就需要充电。先进的电源管理这些设备可以内置功能动态电压频率缩放，多电压轨，暗硅。但如果这些手表一直处于连接状态，并用于实时健康监测等处理密集型应用，那么这些设备都不足以让电池续航超过一天。

当时的想法是利用运动或环境射频信号产生能量，类似于自动上弦手表的工作方式。到目前为止，这还没有成功。

“我们已经听说过电磁辐射产生电压，以及基于砷化镓和氮化镓的奇异方法，”CTO办公室副总裁兼首席策略师Vic Kulkarni说有限元分析软件．他说:“已经有实验研究了黄金中的杂质，可以让电子跳跃，还有新材料是轻质复合材料，可以产生能量。但目前，这只是以非常小的方式在商业上发生。”

这似乎是普遍的共识，除非在材料工程上取得重大突破。

“从根本上说，能量收集是一项用途有限的技术，”公司产品营销经理杰夫·米勒(Jeff Miller)说Mentor是西门子旗下的企业．“它必须是一个优势传感器．需要有一种能源，无论是热能、机械能还是太阳能。而且它必须消耗比电池所能提供的更多的能量。电池是一个可靠的选择，电池可以持续很长时间。如果你想想汽车胎压监测器，那是一个很难更换电池的地方，但你仍然可以获得10年的电池寿命。”

能量收集选项
目前最成功的能源收集方式可以分为两大阵营——太阳能和运动驱动。太阳能利用光伏电池将光转化为电能，但目前光伏电池的效率仍在20%左右。此外，太阳能占用大量空间，而智能手机或电动汽车等能源密集型应用消耗太多能源，使太阳能成为可行的选择。但小规模光伏发电仍然在计算器、手表和小型设备中发挥着重要作用。

“太阳能仍然是能源收集的终极工具，”Delta的约根森说。“它已经成熟，可以产生直流电，并产生合理数量的能量。”

运动驱动的能量收集是目前使用的第二种主要方法，但它很难部署在芯片或小型设备中。

IDTechEx董事长彼得•哈罗普(Peter Harrop)表示:“由于空间的原因，芯片上非常困难。”“如果你用梳状结构、电容器状结构或振动收集能量，它不会很快发展。用压电材料往往会遇到错误的振动。你能收获的振动是非常狭窄的，它会立即下降。声波频率也是一样。你往往不能满足你需要的频率。除了自供电传感器，这是非常有限的。从芯片上看，情况不太好。在使用芯片的情况下物联网在节点上，每年销售数十亿个物联网传感器的梦想并没有实现。是几百万，不是几十亿。如果你要在加州的每棵树上安装一个，以确定风的方向，以确保你不在火灾的下风处，你不能更换电池，所以你必须有能量收集，但这并不是一个解决的问题。”

能量收集的真正亮点是在更大的范围内——太阳能、风能和波浪运动。在芯片或小型设备级别，这种技术的使用要有限得多。正在兴起的新技术包括压电、热电、光伏、摩擦电和介电弹性体，其中大多数都是在乔治亚理工学院等研究中心对纳米发电机进行了20多年的研究后开发出来的。

压电电源可以内置在诊断皮肤贴片和医疗设备的植入物中，可以作为涂料分层为嵌入led供电，也可以作为层添加到集成电路中微机电系统芯片。它们还可以发挥双重作用，以增强光电池和led性能的方式为光调制提供电源和处理，或与光子学集成用于高带宽数据中心数据访问应用。

压电电源更为人所知，但佐治亚理工学院的研究人员在摩擦电能纳米发电机(TENGS)上取得了更大的成功，这种发电机利用摩擦和静电感应产生微小但可用的能量爆发。根据2015年发表在《自然通讯》上的一篇论文和2018年发表在《先进材料》杂志上的一篇论文，该论文证实了静态电荷来自电子，而不是离子，该方法使用板载电池存储和能够在高达300摄氏度的温度下工作的双电容方法，能够提供稳定的1.044mW直流电源流。

TENGS提供一系列功率级别，通常比电池或其他收集能量的方法成本更低。它还在制造过程中使用无毒材料，设计简单，应该使大规模制造变得简单。

林利集团(Linley Group)分析师迈克·德姆勒(Mike Demler)表示，能量收集技术看起来也很适合小型传感器和物联网设备，这些设备可能被用于电池无法轻易更换的地方。

但是使用普通锂离子硬币电池的设备的一致性、成本和寿命——以及芯片制造商几十年来创造和改进的节能设计——让大多数传统半导体市场没有好的功能或经济理由去尝试转换，Demler说。他说，虽然可穿戴设备和有特殊要求的医疗设备可能会发生变化，但到目前为止，主流需求还很少。

即使是那些不会从周围环境中回收电力的设备，也越来越需要更精细的电源管理，更重要的是控制由此引起的电磁干扰。

例如，一款可能在欧洲和亚洲销售的手机，其射频电路必须为不同的运营商支持多达30种不同的频率配置——这些电路都是同一层板的一部分，但通常位于不同的层。根据ANSYS产品管理总监拉里·威廉姆斯(Larry Williams)的说法，它还需要滤波器和放大器来最大限度地提高增益，并将电磁干扰降到最低，这一设计很快就会变得“令人难以置信的复杂”。“阻抗会影响电路的行为，但你不能对所有事情都使用行为模拟，因为驱动负载因设备而异。它们随着温度的变化而变化。所以你必须注意IC芯片与SoC或电路板的连接方式，以及它们对温度变化的反应。”

根据浙江大学数字和Signoff集团的产品管理总监Jerry Zhao的说法，电源供应足够好且可靠，对能量收集的需求相对较少，但对电源架构的缺乏关注可能会破坏即使在低功耗物联网设备中也是如此节奏．

“设计混合模拟/数字信号的方法是至关重要的，”赵说。“有些设备主要处理模拟世界——收集模拟信号并有效地将其转换为数字信号是设计方面的挑战。这总是一个挑战。模拟总是硅的一大块，模型必须确保模拟端能够理解功率传输。流动是至关重要的。”

然而，不仅仅是低功耗的物联网设备使微调电源管理变得困难。

“挑战在于芯片越来越大，上面有越来越多的设备，而电源却越来越低，”赵说。“现在你有0.6或0.8伏的电压在一个芯片上驱动数十亿个设备——一个芯片上可能有几十个功率域，而不仅仅是一两个。模拟电源域，记忆电源域，你可以打开或关闭它们以更有效地进行某些活动。唤醒过程需要时间，消耗大量电流，有时电流非常大，会破坏你的电网。这是我们在权力层面需要分析的。所以我们并不是在研究如何从海浪、风或环境中的其他资源中获取能量。我们专注于微观层面，确保你在不浪费电力的情况下获得所有这些设备所需的性能。”

结论
能量收集技术将在芯片和小型设备层面继续发展，但它是否足够可靠，是否足够便宜，能够与电池技术的改进相竞争，仍有待观察。然而，在小范围内发展起来的一些想法可以应用到更广泛的范围。

这仍然是一个新兴但有趣的研究领域。但是，什么东西会在什么时候取得商业成功，在今天和五年前一样是个谜。

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