精密的電池供電型電子系統和自供電設備，在現有自主手持設備領(lǐng)域延伸出一些不同的應用。CMOS 處理技術(shù)和電路技術(shù)方面取得的巨大進(jìn)步，降低了電路的功耗，使得新型自主供電系統成為可能。這些進(jìn)步帶來(lái)大量新興應用，例如：無(wú)線(xiàn)微傳感器網(wǎng)絡(luò )、可穿戴醫療電子設備、工業(yè)及家庭自動(dòng)化傳感器和電子貨架標簽。理想情況下，這些系統都可以在沒(méi)有電池的情況下正常工作。但是，當要求使用電池時(shí)，我們仍然需要盡力延長(cháng)電池使用時(shí)間，這樣系統便可在其壽命周期內無(wú)需更換電池。理解能量轉換器工作原理以及如何使用它來(lái)提供能源，是達到上述目標的基本要求。

自供電系統要求有一個(gè)能量來(lái)源，以在其壽命周期內維持正常的工作。根據不同的能量來(lái)源，可將商用能量轉換器分為如下四類(lèi)：

1）光：太陽(yáng)能電池由 p-n 晶體陣列組成，利用光伏效應工作。
2）熱：利用熱電組件采集環(huán)境熱能。
3）振動(dòng)：振動(dòng)能量采集器通過(guò)電磁或者壓電方法利用振動(dòng)機械能，從而產(chǎn)生電能。
4）無(wú)線(xiàn)電波：無(wú)線(xiàn)電波能量采集方法使用定向解決方案時(shí)較為有效，但在使用環(huán)境能量時(shí)現實(shí)實(shí)現并無(wú)太多有用的功率。

表 1 能量采集器的典型輸出功率

表 1 顯示了來(lái)自不同能量轉換器的典型功率級別以及采集器的重要考慮因素。在一般情況下，大多數采集器都可以提供 ~10-50 µW/cm2 左右的平均功率。所獲功率的大小與采集器面積有關(guān)，并嚴重依賴(lài)于采集器的可用空間。利用一個(gè)太陽(yáng)能電池例子，我們可以描述出采集器的一些特性。太陽(yáng)能電池可以建模為一個(gè)與二極管并聯(lián)的電流源，如圖 1 所示。分流電阻對漏電建模，而串聯(lián)電阻對接觸電池電阻建模。

圖 1 光伏電池及其特性曲線(xiàn)的電氣模型

當光線(xiàn)照在太陽(yáng)能電池上時(shí)，電池產(chǎn)生一個(gè)流過(guò)輸出端的電流 IPH。電池為開(kāi)路時(shí)，該電流在輸出端形成電壓 VOC。在開(kāi)路和短路兩種極端情況之間，電池產(chǎn)生功率。圖 1 中，紅色曲線(xiàn)表示太陽(yáng)能電池的電流對比電壓特性。照度增加，短路電流增加，并對電池開(kāi)路電壓產(chǎn)生微弱影響。從太陽(yáng)能電池獲得的功率在某個(gè)特定的電壓下達到最大，然后在該電壓任意一端逐漸下降。這就是電池的最大功率點(diǎn)。它與入射光及其他環(huán)境因素有關(guān)，例如：溫度等。由于其高阻抗特性，其他轉換器都具有類(lèi)似的最大功率點(diǎn) (MPP) 特性。因此，如何選擇一種電源管理解決方案，讓其能夠工作在 MPP 下，是我們需要考慮一個(gè)的關(guān)鍵因素。

熱電發(fā)電機 (TEG) 用于采集環(huán)境熱能，并根據塞貝克效應 Seebeck effect 「1」產(chǎn)生電壓。熱采集器的基本結構單元是熱電耦。這種熱電耦由一個(gè) n 型材料組成，其與一個(gè) p 型材料串聯(lián)。當這種材料出現溫差時(shí)，熱開(kāi)始從高溫面流向低溫面。熱能使自由電子和空穴移動(dòng)，并形成電勢。常用熱采集器由 p 和 n 摻雜碲化鉍組成，原因是其具有優(yōu)異的熱屬性。這種材料的一個(gè) p-n 腳可在熱冷面之間產(chǎn)生約 0.2 mV/K 溫差。

圖 2 熱電堆陣列和簡(jiǎn)單的 TEG 電氣模型

為了升高輸出電壓并獲得更多的功率（參見(jiàn)圖 2），我們將許多腳電串聯(lián)和熱并聯(lián)，以形成一個(gè)能夠產(chǎn)生約 25 mV/K 溫差的熱電堆。這種熱能采集器可以建模為一個(gè)同電阻串聯(lián)的電壓源，其開(kāi)路電壓與溫度差成比例關(guān)系。電阻來(lái)自于金屬互連和芯塊邊緣的電阻。由此模型，我們可以很容易地知道，要想提取最大功能，就需要對阻抗進(jìn)行控制，以匹配來(lái)自發(fā)電機的負載。熱能采集器的一個(gè)重要方面是，它們周?chē)�需要一個(gè)正確的熱流系統，以保持熱通量以及良好的溫差。如果 TEG 兩面均允許達到熱平衡，則電功率輸出達到零。

采集環(huán)境機械能的一種普遍方法是利用壓電組件。圖 3 所示壓電材料承受的輸入振動(dòng)，在器件中引起機械應變，之后轉換為電荷。PE采集器的等效電路可以表示為一個(gè)機械彈簧質(zhì)量系統，其與一個(gè)電氣域聯(lián)接。仔細觀(guān)察器件的諧振頻率，我們可以將整個(gè)電路變換為電氣域[2]。這樣，當受到正弦振動(dòng)激勵時(shí)，便可將壓電組件建模為一個(gè)正弦電流源，其與電容 CP 和電阻 RP 并聯(lián)。

圖 3 某個(gè)質(zhì)量及其電氣建模加載的壓電組件

另外，我們還可以利用電磁采集器來(lái)采集機械能，它通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)利用動(dòng)能產(chǎn)生電能。為了最大化功率輸出，需要對采集器進(jìn)行微調，讓其達到應用環(huán)境的最佳諧振頻率，并對整流阻抗進(jìn)行調節以使其匹配2。相比壓電采集器，這些器件的調節更加簡(jiǎn)單，很容易獲得理想的功率輸出。但是，這兩種機械能轉換器本身都具有諧振，并且工作頻段較窄。

結論
總之，理解能量轉換器的特性非常重要。只有理解了它們的特性，才能優(yōu)化能量轉換，制造出一種可行的能量采集系統。能量轉換器電源管理的一些重要考慮因素包括能量源屬性、能量轉換器特性和電源管理性能。匹配電源管理解決方案以從轉換器中獲得最大輸出功率并將其有效存儲，要求我們深入地理解上述重要參數。它可以幫助我們開(kāi)發(fā)出擁有最佳性能的能量采集系統，更好地服務(wù)于目標應用。