評估穿戴式設計的能源採集技術

在過去數年中，有許多種穿戴式電子產品興起，而最常討論到的共同話題之一就是電池續航力。 許多智慧型手錶必須每天充電，即便專用型健身裝置的運作時間較長，但其功能和連線能力卻較弱。 連線到網際網路以及物聯網中其他裝置的需求日益增加，因此產品設計中的無線和運算元件對於電力的需求也隨之提高。 同樣地，即便螢幕技術有所提升能降低功率，但越來越豐富的使用者介面卻會增加此類裝置的電力需求。

解決此難題的方法之一就是提升能源採集技術的使用，從環境中擷取能源。 能源採集能為電池供應規律的涓流電流，讓穿戴式裝置在充電前運作更久，進而增加最終設計的吸引力。

然而，這些技術在使用上會遭遇四種工程挑戰，包含產生的電力、電力的管理和儲存、採集元件的尺寸以及成本。 近年來有許多能源採集新方法的研究，但大多數都還無法以商業裝置的形式進入市場。

穿戴式裝置具有接近身體的關鍵優勢，因此能取用多種電力來源。

發電

穿戴式裝置有許多種方式能從環境中發電，各有不同的工程優勢與挑戰。 太陽能是最完善的方式之一，為傳統手錶供電已行之有年。 太陽能電池，例如 Panasonic BSG 的 Amorton 和 IXYS 的元件，能在日光和室內照明下取得立即可用的電源。 這些元件能產生足夠的電力，驅動低工作週期的無線鏈路長達十五年，如 Silicon Labs 的開發套件所展示。



此元件外型極薄，且電池高度僅有 0.17 mm，符合穿戴式設計的另一項關鍵考量。 低功率控制器在此非常重要：Si1012 無線 MCU 能保持低功率運作狀態，僅消耗 50 nA。 能源採集電源在啟用時的漏電流約為 3 µA，僅需少量的 50 lux 照射在太陽能電池上便能抵銷。 能源採集電源可在暗處為系統供電長達七天，若有定期光源，就可補充失去的能量，供電時間就可無限久。 此系統可搭配 200 lx 的室內光源和 10,000 lx 的戶外光源使用。

然而，這只單純計算無線連線，而非整體系統的電力需求。 對於定期量測並且將資訊回傳到中央裝置的健身裝置而言，這是達到長續航力的理想方式。

智慧型手錶等中央裝置需更高的電流，因此需評估其他的技術。 其中之一就是從體溫進行熱能源採集。 手錶貼近皮膚，因此能運用珀爾帖和塞貝克效應，從溫度差發電。 目前，市售的熱電裝置在與人體接觸時，能夠從 5 度溫度差產生 10 至 20 μW/cm² 的電力。 使用二或三個此類裝置就可以滿足健康監測系統的電力需求。

韓國 KAIST 研究機構的研究團隊，在有機基板上結合無機材料，開發出一套極輕盈且彈性的熱電發電機。 此布料基板彈性極佳，彎曲半徑可達 20 mm，因此可使用在貼身穿戴式設計中，而且基板可彎折，因此不會影響裝置效能。


此發電機將特殊的膏狀 n 型 (Bi2Te3) 和 p 型 (Sb2Te3) 熱電材料印刷到布料上。 膏體會覆蓋布料的纖維，形成熱電材料薄膜，厚度為數百微米。 這會形成數百個熱電點進行發電，並且能讓研究人員將發電機的重量大幅降低至大約 0.13 g/cm²。 發電機原型尺寸僅有 10 cm × 10 cm，放在腕帶中能產生約 40 mW 的電力。

穿戴式裝置通常處於移動中，因此可提供新的發電方式，以不同方法為電池充電。 可利用裝置本身的運動，透過 Measurement Specialties 的 MSP1006 等壓電振動感測器來提供電力。 感測器調諧到使用者移動的諧振頻率時（通常約為 100 Hz），則可用來提供電力。 此方法早就用在自動上鏈手錶數十年了，並非新技術，使用壓電晶體的彎曲動作則可發電。 許多利用移動進行能源採集的新方法正在研究中，包括擷取材料中纖維移動所產生的電荷。


使用無線電傳輸產生的電場採集電力尚在研究階段。 隨著無線網路的普及，可攜式和穿戴式裝置或許能利用此方式採集能源。 然而此研究還在初期階段，而且無線電力的促成主因係來自於免除充電線的需求，讓穿戴式裝置僅需置放在充電板上即可輕鬆進行充電。

管理和儲存

由太陽能電池或振動感測器產生電力後，還需克服幾項挑戰。 產生的電流可能很低且斷斷續續，必須收集後才可以使用。 同樣地，電池供應的電流也必須經過管理才能供應給穿戴式設計的矽元件。 這需要結合多種儲存元件（從超級電容到電池），並搭配針對能源採集應用進行最佳化，且本身能使用如此低電流的新一代電源管理晶片。

目前正在開發適用於穿戴式系統的更高密度電池新技術，可使用能源採集電源進行涓流充電，不會損耗電池化學物並可以小型尺寸提供電力。

Linear Technologies 開發了一款多功能能源採集展示板，能讓穿戴式系統開發人員評估所有不同種類的能源採集電源，瞭解彼此之間的電源管理差異。 DC2048A 能在設計初期階段使用壓電、太陽能、熱驅動能源或任何高阻抗 AC 或 DC 電源。

此評估板包含四個獨立的晶片，可處理不同電源並進行管理。 LTC3588-1 壓電能源採集電源供應器整合了低損耗全波橋式整流器和高效率降壓轉換器，適用於高輸出阻抗能源，例如壓電或太陽能。 此元件含有超低靜態電流欠壓鎖定 (UVLO) 模式，並具有寬磁滯窗口，以便讓電荷在輸入電容上累積，直到降壓轉換器能將儲存電荷的一部份有效轉移到電源管理器中為止。 引腳可選擇四個輸出電壓（1.8 V、2.5 V、3.3 V、3.6 V），且具有高達 100 mA 的連續輸出電流，但可選擇輸出電容以匹配更高的輸出電流突衝，以便用於智慧型手錶等更高效能的設計。 輸入保護分流設定在 20 V，可為定量的輸入電容達到更高的能量儲存。

LTC3108 則是超低電壓 DC/DC 升壓轉換器，可用於熱電發電機。 升壓拓撲在低至 20 mV 的輸入電壓下操作，並且採用 2.2 V LDO 驅動外部微處理器，主要輸出則設定為四個固定電壓之一，用來驅動無線鏈路。 輸入電壓源無法使用時會由儲能電容提供電力，且在設計上能確保輸出儲能電容可快速充電，達到平順的電源供應。


評估板上的其他元件包括 LTC3105 升壓 DC/DC 轉換器，具備功率點控制和 LDO 穩壓器；LTC3459 10 V 微功率同步升壓轉換器；LTC2935-2 / LTC2935-4 超低功率監測器，其含有電源故障輸出可選擇閾值，能讓開發人員能密切監控電源。 以上多種電源管理方案可用來針對不同能源採集電源進行評估。

目前有數款介面和傳感器排針座能輕鬆將傳感器連接到板件，也有跳接器能讓板件以多種方式進行配置。 板件的標準架構裝有三個跳接器，最多可安裝十個。

尺寸和成本

這些技術已趨成熟，但穿戴式設計一直以來的挑戰在於縮減尺寸，同時還要提高電量而不增加成本。 新的電池化學組成能達到更薄且更高蓄電量，有助於在嚴格限制尺寸和重量的穿戴式設計中延長電池續航力。 在運用新材料和生產技術下，珀爾帖和塞貝克效應熱電發電機的尺寸逐漸縮減，而太陽能電池的技術不僅持續提升效率，也減輕重量，因此能在設計中使用更多電芯以供應更高電力。

位於設計核心的矽元件，在尺寸和功率上亦逐漸縮減。 隨著功耗和電壓下降，微處理器、無線節點和電源管理晶片的晶片面積均有所縮減，因此能讓設計人員在穿戴式設計中納入更多元件。

結論

穿戴式裝置的設計人員能從環境中的多種來源進行能源採集，而且電池續航力和高效能的要求也驅使研究人員開發新的方式。 從簡單的健身感測器到能當作其他裝置之中央單元的全方位智慧型手錶，穿戴式設計能利用太陽能、熱能或振動能量，以新的方式延長電池續航力。 不過，這只說到一部份。 符合這些能源電池技術和電源管理正在開發中，以便提供能在整體設計中達到最佳化的電源。 如此一來，即可在充電前達到數日、數月或數年的運作，且不會影響穿戴式技術的功能。