本文作者：
　　德州儀器 (TI) 首席專家Gene Frantz
　　德州儀器 (TI)電源產品解決方案首席技術專家Dave Freeman
　　德州儀器 (TI)電池管理解決方案產品與業務開發經理Chris Link

　　引言

　　超低功耗 （ULP） 技術為我們帶來大量的新型應用，這些應用可收集微量級的自然能，并且維護工作很少甚至是不需要維護——它們是一些具有自持力的器件，能夠永久或者說近乎永久地工作。這些新型系統現在正在工業和消費類電子設備中不斷涌現，并將給醫療與保康行業帶來巨大的變化。作為ULP技術和產品領域的領導者，TI 在這些新型系統的實施方面扮演著重要的角色，它把我們帶入一個全新的能源采集領域。

　　TI技術為永久運行器件開拓出新的天地

　　直到最近，微能源采集（即收集極微少的自然能來為一些電子系統供電）理念仍然還只是一個夢想，僅僅是一些研究建議和實驗室試驗。今天，越來越多的系統開始利用光、震動和其他先前被我們浪費掉的自然能，用于為那些電線布線和電池維護不便的應用供電。在工業領域，傳感器收集遠程設備和危險處理工藝的相關信息；在消費類電子設備領域，看重的是移動性和便利性；而在醫療系統方面，對修復和無創監控有特殊的要求。正因如此，能源采集技術正迅速地進入到這些新型應用中。

　　隨著自供電、低維護系統的發展，我們不禁要問它們何時才能實現完全的自持力呢。換句話說，我們距離實現永久工作、免維護設備的目標還有多遠？答案是，在一些情況下，永久工作的設備已經在使用之中。早在20世紀70年代，TI和其他公司都曾推出過一種手持式計算器，它使用小型太陽能板來供電。這些信用卡大小的計算器系統，現在仍然隨處可見，它幫助人們計算小費和雜貨店的賬單。在淘汰速度極快的消費類電子產品領域，30年的使用時間肯定算得上是永久工作性設備了。

　　自供電計算器的使用者需要有光線才能看清鍵盤和顯示器，而計算器正是利用光來產生自己需要的電，因此，在許多情況下，自然能和應用之間形成了一種共生關系，這也就讓我們可以有機會實現能源采集。但是，盡管計算器只需顯示其結果，而其他系統可能要求把數據或者信息通過網絡進行傳輸。更為典型的新型能源采集應用是那些在用的無以計數的通信傳感器和監視器，它們使用電池供電，可以在無需維護的情況下工作數年之久。這些器件可以看作是亞永久性設備，盡管世界上有大量的這種設備，但是它們只是一個開始。

　　在非常短的時間內，大量的能源采集設備將會出現在我們的家里、辦公室里、工廠里、公路上、醫院里甚至是人的身體里。這些自然能供電的電子設備，僅要求最少甚至不要求維護，它們將與其他系統進行通信，有時甚至會連接網絡“云”。對于那些創造這些系統的設計人員來說，不僅僅面對一些熟悉的問題，例如：性能和功率要求與成本之間的平衡，同時還會面對如何平衡使用率與能源可用情況的問題。另外，還存在想象力的問題：當落成桌面上的一縷陽光或者人在地板上走動產生的微弱震動都可以為您的設備供電時，您準備怎幺運用它呢？

　　TI正致力于開發實現能源采集系統的超低功耗（ULP）技術，同樣也面臨這些問題。TI產品已經廣泛用于這些應用之中，并且公司的技術開發針對這個迅速增長領域未來的發展。隨著新型應用的發展，它們將使用超低能源，而ULP的定義也將發生變化。今天的ULP產品，未來則可能會被看作是高耗能產品。另外，推動降低功耗要求，可以推動這些設備的更大規模部署，從而構建起一些更高密度的網絡。隨著工業和消費類市場在更廣范圍不斷分發信息，TI正在研究通過什幺方式來讓系統走過使用傳統能源的階段。實現永久性工作設備的道路在哪里？

　　新應用領域的要求

　　在不遠的將來，在大多數情況下，能源采集系統（不管是永久性還是非永久性）都會成為網絡上的永久性工作設備或者遠程節點。具有電源線或者需要電池來實現機械功能的一些應用，不會迅速改變。但是，新型應用會在遠離中央系統的地方傳輸信息和實現通信。使用電池或者電線的一些現有應用，也可能會轉而使用能源采集，目的是節省成本和實現聚合。進一步講，通過記錄偏遠地方發生的事件并向中央系統報告，或者作為一個數據傳輸開關，能源采集應用通常的作用是數據通信。這類應用，推動所謂的物聯網發展，讓其超越使用傳統電源的電器，進入一些全新的領域（截止目前，幾乎沒有數據通信的領域）。

　　早期應用涵蓋工業和消費類電子產品，而醫療系統是一個正在迅速興起的領域。工業系統往往會長期運行，因此投資回報也是一個長期的過程。體積因素是一個很實際的問題，只有在其影響到產品功能性時才重要。工業環境下超微能源采集的重要性在于，它讓一些小型系統特別是傳感器可以安裝在那些人員難以到達并且維護困難且昂貴的地方。最近，獲得人們大量關注的一個應用是橋梁和建筑的結構檢測。傳感器可以記錄應力或者材料變化，然后將數據發送給中央系統，中央系統利用這些數據來決定結構的安全性或者健康程度。工作在這種環境下的傳感器利用壓電收集器來采集震動應力本身產生的能源。在很短的時間內，這種能源可產生數百微焦的能量。在這些傳感器中，所采集的能源驅動TI的ULP微控制器和發射器。另一種應用把傳感器安裝在一些危險的工業環境中。在這種環境中，維護所需的信息訪問較少。如果這類環境下工作的傳感器采集自然能，則需要工作人員冒險的機會大大減少，或者關閉某個處理工藝來維護設備機會也大大減少。

　　在消費類電子產品中，成本和體積因素至關重要，給在工業領域不要求的便利性帶來了機會，或者也可以對現有便利性進行拓展。例如，許多消費類電子產品都有使用電池的遙控器，需要定期更換電池。這些系統是一些理想的改造對象，可以讓其使用能源采集系統。但是，成本敏感性意味著，收集能源的設計必須在價格上與那些使用電池的設計進行競爭。一些無線家用和辦公用設備同樣也有這方面的需求，例如：太陽能計算機鍵盤和電子墨水顯示器等。另外，隨著家用和辦公用設備的電費不斷升高，負責管理室內環境的恒溫器和其他傳感器必須更高效，這樣便可以安裝在更多的位置，并移至更適合的地方。即使是普通燈光開關也有使用永久性設備的潛力：按下一個按鈕，便可提供發送開啟或者關閉燈光指令所需的能源。所有這些系統都是能源采集技術的潛在應用對象，這樣便無需布線或者定期更換電池。