原标题：热能收集的设计注意事项

　　热能收集可以为各种传感器和电子设备提供自主和可再生能源，使它们能够从温差中产生能量。

　　能量收集是指从环境或系统本身收集驱动电子设备所需能量的能力。更具体地说，热能收集将从热源收集的热能转换为电能。

　　热能收集的好处 包括：

　　• 消除电池的可能性。这一优势对于便携式设备和低功耗应用尤为重要。

　　• 从能源角度创建自给自足物联网设备的可能性。该元素对于开发无需电池充电即可连续运行的独立和移动设备至关重要。通过降低维护和更换电池的需要，热能收集使智能传感能够应用于城市基础设施内的偏远或难以到达的地点。

　　• 有机会为医疗和消费应用创建新的可穿戴解决方案

　　• 绿色能源技术的发展。这将导致化石燃料利用和温室气体排放减少。

　　应用

　　该技术可用于为各种传感器和电子设备提供自主和 可再生能源，使它们能够通过温差产生能量。引入越来越高效的设备可以为充分利用热能收集的新解决方案铺平道路。

　　在可穿戴系统中使用热能收集技术的一种有趣方法是产生小电流，利用热能作为两种温度的差异——身体和周围环境的温度。在自然和人工环境中，到处都存在温度差异。利用这些温差或梯度可以产生热电能。

　　热能

　　根据物理规则，系统的总能量是守恒的，有可能从一种形式变为另一种形式。可以从各种环境能源中获取能源。

　　我们周围的环境充满了温度和热量运动的变化。发动机废料产生的 热量、土壤产生的地热热量 、钢铁厂冷却水产生的热量以及其他工业操作都是典型的例子。使用热电发电机 (TEG) 和一些电子设备，热能可以转化为电能，然后可以保存在存储设备中。TEG 的工作原理是热通量(温差)可以转化为电能。它非常适合低功耗嵌入式设备，因为它通常非常小并且没有移动部件(固态)。

　　塞贝克效应

　　塞贝克效应是当材料两侧之间存在温度梯度时产生电压的过程。TEG 的基本元素是 pn 结，它由热电材料 P 和 N 的单一结构组成，每个结构串联电连接并掺杂有硼 (P) 和磷 (N) 等杂质。

　　图 1：TEG 基本上是具有两个表面的 Peltier 电池：热 (h) 和冷 (c)。(来源： 电力电子报)

　　TEG 模块的基本构建块是几个串联的 pn 对。在这种配置中，pn 对平行排列，以产生与温度梯度成比例的电压。器件的热 (Th) 和冷 (Tc) 侧必须处于不同的温度才能使过程有效，并且热电材料的性能(由热电品质因数 ZT测量)由下式给出：

　　其中 S 是塞贝克系数， ρ 是电阻率， λ 是热导率，而 T 是测量热电特性的温度。 ZT 测量在给定温度梯度下可以产生的电能数量：材料的 ZT 值越高，其热电性能越好。通过提高功率因数 PF = S 2 ÷ ρ，或降低热导率 λ = λ e + λ ph ( λ e 和 λ ph 分别表示电子和声子贡献)，可以提高给定材料的热电性能。

　　塞贝克系数、电阻率和热导率是决定这种热处理效果的三个因素。这三个不同的身体特征共同构成了卓越的形象，相互依存。因此，很难或不可能在不损害另一个的情况下改进一个。唯一可以自由调整而不影响其他量的量是 λph ( T )。因此，减小尺寸是提高整体效率的最有希望的策略。

　　材料

　　基于电池的解决方案每天都在变得更加有效和更小。对于一些低功耗应用，例如物联网传感器，无法进一步提高电池寿命。因此，这些设备将极大地受益于 能量收集技术。对能量收集的兴趣激发了包括超低功耗(皮瓦)微电子和超级冷凝器在内的互补技术的发展。

　　一种优秀的热电材料必须具有很强的塞贝克效应，应该尽可能地导电，并且应该尽可能地传输热量。很难找到符合所有这些要求的材料，因为导电性和导热性通常是齐头并进的。

　　研究人员最近成功开发了一种 ZT 值在 5 到 6 之间的新型材料。这种新材料由应用于硅晶体的一层薄薄的铁、钒、钨和铝组成，可能会彻底改变传感器电源行业，使传感器能够从环境资源中产生自己的能量。

　　根据可用的温度梯度，TEG 每平方厘米可产生 20 µW 至 10 mW 的功率。

　　设计提示

　　市场上有几种适合热能收集的 IC，包括德州仪器 (Texas Instruments) 的 BQ25570，能够从 TEG 中提取微瓦到毫瓦，以及 e-peas 的 AEM10941 和 Analog Devices Inc. 和瑞萨电子的其他 IC。BQ25570 集成了一个电源管理系统，该系统通过使用双电路来提高电压，同时防止电池过度充电或爆炸。收集的能量可以存储到可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器中。

　　超级电容器是能量收集得到有效应用的技术前提。它们是具有极高容量的电容器，同时具有电解电容器和充电电池的功能特性。然而，它们每单位体积或质量可以存储比电解电容器多 10 到 100 倍的能量，以远高于典型可充电电池的速度积累电荷，并且比可充电电池经历更多的充放电循环。

　　当 TEG 的极板之间有足够的温差以在其端子上产生电压时，该过程就开始了。BQ25570 包括一个升压充电器和一个毫微功率降压转换器(图 2)，可提取功率，功率大小随温差而变化，从微瓦到毫瓦不等。由于内置升压转换器，输出电压随后增加到 3.3 V，效率为 93%。

　　图 2：BQ25570 超低功耗采集器 PMIC 的框图(来源：德州仪器)

　　有两种方法可以存储输入的能量以进行能量收集：使用电容器或电池来保持电荷。在使用传统电容器或超级电容器时，有一些指南可以帮助设计人员进行选择：

　　选择具有低 ESR (<200 m Ω )的电容器。

　　泄漏电流在 1.2 V 时必须小于 1 μA 。

　　大电容器充电缓慢，但可以存储大量电流。另一方面，小电容充电非常快，会增加启动时间。

　　根据应用的不同，电容值可以通过以下公式获得：

　　C = 15 × V OUT × I OUT × T ON

　　其中， V OUT 是能量收集传感器的输出电压， I OUT 是能量收集传感器的平均输出电流， T ON 是 IC 开启时间。

　　如果传感器无法提供足够的电力，存储电容器将维持系统一段时间。

　　热电能量收集器的功率调节 也非常重要。即使在最大功率运行时，由于电压低，发电机的输出电压也很小。当能量采集器为电池充电时，电源调节电路会保护电池免于过度充电。同样，当温度变化时，电源调节用于稳定输出电压。

　　通过包括输入阻抗、功率控制和滤波在内的众多因素，调节电路在能量收集系统中发挥着至关重要的作用。传感器(无论是热源、光伏源还是振动源)、功率调节电路、微控制器和存储设备(超级电容器)是最关键的部分。

　　参考

　　迪保罗·埃米利奥，M. (2017)。“能量收集系统的微电子电路设计”。施普林格。

　　本文最初发表于 EE Times。

　　Maurizio Di Paolo Emilio 拥有博士学位。在物理学中，是一名电信工程师。他曾参与设计热补偿系统、X 射线微束以及用于通信和电机控制的空间技术的引力波研究领域的各种国际项目。自 2007 年以来，他作为技术作家与多家意大利和英国博客和杂志合作，专攻电子和技术。2015-2018年任Firmware和Elettronica Open Source的主编。Maurizio 喜欢撰写和讲述有关电力电子、宽带隙半导体、汽车、物联网、数字、能源和量子的故事。Maurizio 目前是 Power Electronics News 和 EEWeb 的主编，以及 EE Times 的欧洲记者。他是 PowerUP 的主持人，这是一个关于电力电子的播客。