【導讀】能量采集技術通過捕獲環境中的多余能量，讓低功耗電子器件正常工作，而來自射頻發射器的能量允許能量采集器遠離能源的束縛。數量不斷增加的射頻發射器也將導致射頻功率密度和可用性日漸提高...
能量采集是實現低功耗電子器件(如無線傳感器)長期免維護工作的關鍵技術。通過捕獲環境中的多余能量(如照明、溫差、振動和無線電波(射頻能量))，完全可以讓低功耗電子器件正常工作。在這些微功率能源中，來自射頻發射器的能量具有獨特的優勢，包括隨距離變化可預測和一致的功率，允許能量采集器遠離能源的束縛。
環境射頻能量如今可以從全球數十億個無線發射器獲得，包括移動電話、手持無線電設備、移動基站以及電視/無線廣播臺等。捕獲這類能量的能力有助于創建新的無電池設備，并允許電池供電設備通過無線方式實現點滴式充電。除了環境射頻能量外，還有一種方式是使用專門的發射器發送功率，這能使無線電源系統提供更高的性能。在許多應用中這是首選的解決方案，但成本比較高。政府法規一般將使用免許可頻帶的無線電設備輸出功率限制為4W有效全向輻射功率(EIRP)，就像射頻標簽(RFID)詢問器那樣。作為對比，基于模擬技術的早期移動電話的最大發射功率為3.6W，而Powercast公司的新款TX91501發射器功率為3W。
環境射頻(RF)能量采集有個明顯吸引人的地方，即收集的是完全“免費的”能量。雖然具有這種能力的設備在充電時可以移動，但許多射頻能量采集方案要求使用指向已知能源(如移動基站)的定向天線。在移動電話領域的應用前景是能夠收集足夠多的環境射頻能量來與移動手機的待機功耗相匹配。如果可能的話，那么移動電話將具有連續的待機能力，而不僅僅是幾天時間。雖然這種特殊應用目前還不實用，但許多系統級要素的匯集正在推動適合其它應用的環境射頻能量采集方案。這些要素包括低功耗元件不斷普及、有更多的發射器作為能源、無源射頻采集器的射頻靈敏度提升以及低等效串聯電阻(ESR)雙層電容(也稱為超級電容)的推廣。
諸如微控制器等低功耗電子元件的制造商正在不遺余力地降低元件功耗，同時提高性能。來自這些公司的數據手冊和其它行銷廣告都在有意宣傳幾個納安級的待機電流，以及能夠從電壓不到1V的電池進行升壓的片上DC/DC轉換器。其它元件(如傳感器等)被越來越多地設計成有助于降低總體系統功耗的無源器件。這對無電池設備來說尤其重要。通過充分的實時能量采集，無電池設備可以連續運轉，但如果能量太低，就必須先儲存起來，直到足夠維持一次工作周期。隨著元件功率水平的降低，由能量采集技術供電的系統可以工作得更加頻繁。
無線電發射器的數量，特別是用于移動基站和手機的發射器數量正在不斷增加。據ABI Research公司和iSupply公司估計，移動手機用戶數量近期已經超過50億，ITU估計其中有10億多是移動寬帶用戶。此外還有眾多的Wi-Fi路由器以及諸如筆記本電腦等無線終端設備。在一些城市環境中，有可能檢測到數百個Wi-Fi接入點。在短距離范圍內，比如同一房間內，可以從發射功率為50mW至100mW的典型Wi-Fi路由器中收集到微小的能量。在更長距離的情況下，需要使用具有更高增益的更長天線才能真正收集到來自移動基站和無線廣播塔的射頻能量。2005年，Powercast公司在距一個小型5kW AM廣播電臺1.5英里(大約2.4公里)的地方成功演示了環境能量采集的實現。
無源射頻接收器或射頻能量采集器件(如Powercast公司的P2110 Powerharvester接收器)工作時的射頻輸入電平要大于等于-11dBm。提高射頻靈敏度允許在距射頻能量源更遠的距離范圍內實現射頻至直流(RF/DC)電源轉換，但隨著距離的增加，可用功率將降低，充電時間將延長。低漏電流的能量存儲技術非常重要，特別是在輸入功率非常低時，這樣才能最大限度地減小采集到能量的損失，使能量采集過程盡可能高效。
射頻能量采集器的一個重要性能是在寬范圍的條件下正常工作的能力，包括輸入功率和輸出負載電阻的變化。例如，Powercast的射頻能量采集元件無需額外的耗能電路來實現最大功率點跟蹤(MPPT)，而這是將太陽能轉換為電能等其它能量采集技術不可或缺的。Powercast元件可以在很寬的工作范圍內保持較高的射頻至直流轉換效率，因而具有跨應用和OEM設備的擴展性。能夠適應多頻帶或寬帶頻率范圍并且支持自動頻率調諧的射頻能量采集電路可以進一步提高輸出電能，也因此能擴展移動性，簡化安裝。Powercast元件采用標準50Ω輸入阻抗設計，不僅有利于縮短設計時間，而且支持使用現成的天線。
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圖1顯示了Powercast P2110 Powerharvester接收器在多個頻段的性能，包括中心頻率為915MHz的工業-科學-醫療(ISM)頻段。
圖1：P2110 Powerharvester模塊在三種ISM頻段工作時射頻輸入功率與轉換效率的關系
存儲利用能量采集技術捕獲到的能量有幾種方式，包括傳統的可再充電電池、新興的薄膜電池和電容。在過去20年中，鋰(鋰離子)電池、鎳氫電池(NiMH)和薄膜電池都有了長足的發展。隨著能量密度的提高和封裝尺寸的縮小，這些產品已被成功地用于長時間地維持微功率傳感器設備運轉。這些產品的缺點是，就像一次性電池那樣，可再充電電池也有有限的壽命和充電次數，最終必須要更換。這正是許多行業需要考慮和研究能量采集與替代性能量存儲方案(如超級電容)的原因。
傳統的超級電容或眾所周知的電化學雙層電容器(EDLC)在2.5V或5V時具有數百歐姆的ESR值，這種電容在能量儲備應用中已經有30多年的使用歷史了，包括用作各種消費設備(如錄像機、收音機和其它電子系統)時鐘的后備能量。這些時鐘在低電壓下工作時消耗電流不到10μA，在許多電路的實時時鐘(RTC)應用中也有使用。這些低功耗應用發現，EDLC器件是必須被頻繁更換的電池與在實用封裝(如鈕扣電池)下無法提供足夠電荷存儲的靜電/電解電容之間的極好折衷產品。
針對客戶的要求，在過去10年中業界開發出了低ESR的EDLC電容。這種電容能夠在高脈沖功率應用中的接近5V電壓條件下提供數安的電流。這種EDLC電容體積小，ESR值低(2OmΩ至50mΩ)，容量大(6.8mF至1F)，額定工作電壓范圍是2.5V至20V。這些電容可以提供許多應用要求的數安培的高電流脈沖，比如無線條碼掃描機、智能抄表系統以及許多類型的GSM/GPRS蜂窩應用。這些低ESR元件現在還設計用于微功率能量采集系統等新興應用，因為它們具有兩種獨特性能：低漏電流和低ESR。現在這些電容已經代替其它電容或其它小型電池成為這類應用的首選。例如AVX公司的BestCap元件就具有低ESR、低漏電流和高電流脈沖特性，非常適合環境能量采集使用。它們不僅具有很小的ESR值，而且具有不到幾個微安的低漏電流。
圖2是EDLC電容的橫截面圖。從圖中可以看到兩個由電解液包圍著的納米顆粒活性碳層，電解液中間則有一個“隔離”層。這兩個碳層與集電極相接觸，并由集電極將電流輸送到外部。這兩個碳層由兩個串聯電容組成，因此命名為雙層電容或DLC。由于電容內的電荷載體實際上處于離子態，因此使用了術語電化學DLC(或EDLC)。這張圖也顯示了簡單的原理，其中電荷主要集中在集電極-碳接口。電容(C)直接正比于有效面積(A)，并反比于這些電荷(或C a A/d)之間的隔離距離(d)。雙層電容的正負電荷之間的間距在納米范圍，這正是EDLC電容容量如此大的原因(因為這個間距要比靜電電容的電荷間距小好幾個數量級)。
圖2：電化學雙層電容(EDLC)的橫截面圖
基于含水電解液的BestCap器件使用質子(一種最小的離子)作為電荷載體。與使用較大離子的其它超級電容技術相比，這種電容設計方法可實現每單位有效面積更低的ESR。由于其自身設計實現了更小的漏電流，BestCap架構也具有更高的可靠性。這種技術還可以在相同封裝內構建不同的電容，最終能夠在同一封裝尺寸下靈活地實現不同的額定電壓。這種封裝內部不需要外部平衡。
環境中的無線電波數量非常龐大，特別是在人口稠密的城市內，而且頻率范圍越來越大，功率水平越來越高。如果這種自由流動的射頻能量能夠被有效和高效地采集，那么這些無線電波就能夠成為一種獨特且廣泛可用的微能源。數量不斷增加的無線發射器將導致射頻功率密度和可用性日漸提高。專用功率發射器將進一步使可實現、可預測的無線電源解決方案成為可能。隨著電子元件功耗的持續降低、無源射頻接收器靈敏度的提高以及低ESR雙層超級電容性能的改進，通過射頻能量采集方式實現無繩充電的實用性應用將不斷推陳出新。
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