0 引言

    能量收集技術，又稱能量采集技術，2003年曾被MIT Technology Review評為十大改變世界新興技術之首。它是一種將環(huán)境中未使用的能量收集起來并轉(zhuǎn)換成可直接利用電能的技術^[1]，發(fā)展至今已有超過20年的歷史。在很長一段時間里，由于應用領域狹窄，能量收集技術發(fā)展緩慢。但是，近年來飛速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感器、無線模塊、智能可穿戴設備等新興產(chǎn)業(yè)極大地推動了能量收集技術的發(fā)展。

    能量收集技術是一門多學科交叉的科學技術。電源技術是其重要的核心之一，主要研究能量收集與管理系統(tǒng)（見圖1）中能量收集器輸出側(cè)和系統(tǒng)負載側(cè)的電能平衡問題，目前主要包括以下三大研究分支（見圖2）：電力電子電路與集成、電能管理控制方法與實現(xiàn)、多源能量收集管理系統(tǒng)整合與優(yōu)化。它的任何突破性成果都將促使能量收集技術發(fā)生基礎性的變革。

1 面向能量收集的電力電子電路與集成

    面向能量收集的DC-DC變換器和AC-DC整流器都是電能轉(zhuǎn)換模塊中必不可少的組件。它們的輸入電壓非常低而且變化范圍很寬，需要處理的電能大多處于毫瓦級及以下水平。目前，關于面向能量收集的電力電子電路與集成的研究工作主要聚焦于盡最大可能地降低DC-DC變換器和AC-DC整流器的自身損耗和啟動電壓。

1.1 降低自身損耗的代表性方案

    在單源能量收集應用中，Boost變換器和Charge Pump變換器是最常用的DC-DC變換器。為了減小DC-DC變換器的自身損耗，普遍采取的措施包括選用導通壓降低的開關器件、改善開關器件的驅(qū)動條件^[2]、降低開關器件的反向偏置損耗^[3]等。

    在單源能量收集應用中，橋式整流電路和倍壓整流電路是最常用的AC-DC整流器。此外，還有特別針對機械振動能收集應用的Switch-Only整流電路^[4]、Bias-Flip整流電路^[5]、雙向開關電感電路^[6]等，分別如圖3(a)至圖3(c)所示。為了減小AC-DC整流器的自身損耗，通常采用同步整流技術構(gòu)建有源整流電路，即采用導通壓降低的開關器件組成有源二極管以代替導通壓降高的二極管^[7-8]。

1.2 降低啟動電壓的代表性方案

    為了盡可能地降低DC-DC變換器的啟動電壓，文獻[9]為Boost變換器引入一個由MOSFET和復用變壓器組成的正反饋環(huán)路。在Capacitor Pass-on自啟動方法^[10]的基礎上，文獻[11]提出先由LC振蕩器級聯(lián)多級倍壓器構(gòu)成低壓啟動器，再由低壓啟動器、輔助Boost變換器、ZCS軟開關Boost變換器構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)的電路，使整個電路在輸入電壓50 mV的條件下能逐級完成自啟動。

    將單極性的直流輸入電壓啟動方案擴展成雙極性的直流輸入電壓啟動方案，不但可以增強DC-DC變換器的可靠性，而且還可以用于解決AC-DC整流器的啟動問題。文獻[12]采用雙極型的Meissner振蕩器協(xié)助Flyback變換器完成了輸入電壓+/-40 mV條件下的啟動工作。

2 面向能量收集的電能管理控制方法與實現(xiàn)

    優(yōu)秀的電能管理控制方法能確保面向能量收集的電力電子電路盡最大能力地從能量收集器中獲取電能。目前，關于面向能量收集的電能管理控制方法與實現(xiàn)的研究工作主要聚焦于盡最大可能地令電力電子電路始終運行于最大功率點(MPP)，同時盡最大可能地降低電能管理控制模塊的自身損耗和靜態(tài)電流。不同的能量收集器具有不同的輸出功率特性和等效電路模型^[1](見圖4)，適用的MPP控制方法與實現(xiàn)也不盡相同。

2.1 面向光能收集的代表性MPP控制方案

    文獻[13]提出利用光伏電池空載電壓信息估測MPP工作電壓，在此基礎上構(gòu)建的MPP滯環(huán)模擬控制電路令光伏能量收集效率獲得提升。文獻[14]結(jié)合可重構(gòu)Charge Pump變換器的工作特點，提出一種MPP模數(shù)混合控制方案，即先采用光伏電池MPP工作電壓估測的方法確認電壓傳輸比的可選范圍，再通過工作頻率掃描跟蹤的方法找到并鎖定最優(yōu)的電壓傳輸比和工作頻率，以此獲取MPP。類似地，文獻[15]為Charge Pump變換器設計了一種不采用任何電流傳感器的低功耗MPP控制電路。當Charge Pump變換器的輸出電壓因光強變化發(fā)生跌落時，該MPP控制電路的核心部分會啟動并采用掃描方式調(diào)節(jié)光伏電池工作電壓的參考值直至光伏電池的輸出電壓與參考電壓一致，以此獲得MPP。文獻[16]則建議采用低功耗的單片機和可編程邏輯器件來實現(xiàn)各種MPP數(shù)字控制算法，包括擾動觀測法、增量電導法、模糊邏輯控制法、電流掃描法、紋波相關控制法等^[17]。

2.2 面向熱能收集的代表性MPP控制方案

    基于實測的熱能發(fā)電機等效電路模型，文獻[18]成功地將擾動觀測法植入熱能收集應用中。文獻[19]則采用阻抗匹配法獲得MPP，根據(jù)熱能發(fā)電機的等效內(nèi)阻預先計算并設定Boost變換器的工作頻率。在文獻[19]的基礎上，文獻[20]提出一種自適應的阻抗匹配法，即定期跟蹤熱能發(fā)電機的空載電壓，實時調(diào)整Boost變換器的工作頻率，確保熱能發(fā)電機的工作電壓始終等于其空載電壓的一半。

2.3 面向機械能收集的代表性MPP控制方案

    振動能是一種常見的機械能。鑒于振動能發(fā)電機的等效電路模型與熱能發(fā)電機的等效電路模型相似，面向振動能收集的MPP控制方法既可參照面向熱能收集的MPP控制方法，也可參照面向光能收集的MPP控制方法。文獻[21]就兩級結(jié)構(gòu)的AC-DC整流器，提出根據(jù)負載電流變化率對后級Buck變換器的占空比進行調(diào)節(jié)的方案，通過獲得負載電流最大值來確保兩級結(jié)構(gòu)的AC-DC整流器運行于MPP。為解決持續(xù)跟蹤MPP的控制電路自身損耗較大的問題，文獻[22]提出一種松散的功率流控制方法，即采用以MPP工作電壓為基準的滯環(huán)控制電路，間歇性地控制DC-DC變換器的運行狀態(tài)，使之始終接近MPP。文獻[23]采用超低功率模擬電路和零偏置電流動態(tài)電路設計了靜態(tài)電流低至450 nA的自適應阻抗匹配MPP控制器。

3 面向能量收集的電能管理控制方法與實現(xiàn)

    不同類型甚至相同類型的能源之間存在著一定的互補性，若能同時加以利用，可有效地減小電能存儲元件的容量。目前，關于多源能量收集與管理系統(tǒng)整合與優(yōu)化的研究工作主要聚焦于整合DC-DC變換器和AC-DC整流器，實現(xiàn)DC-DC變換器和AC-DC整流器輸入側(cè)和輸出側(cè)的電氣兼容；整合MPP控制方法，實現(xiàn)整個系統(tǒng)在多源輸入的情況下仍能處于最佳運行狀態(tài)。

3.1 不同類型多源整合的代表性方案

    多源能量收集與管理系統(tǒng)需要具備兼容直流（DC）型能量收集器和交流（AC）型能量收集器的能力。文獻[24]將有源整流電路和DCM Buck-Boost變換器整合成一個兼容DC和AC的單輸入電能轉(zhuǎn)換模塊，通過控制有源整流電路中四個MOSFET的狀態(tài)可規(guī)劃出DC-DC和AC-DC兩種電能變換路徑。同時，采用統(tǒng)一的迭代型MPP模擬控制電路，令DCM Buck-Boost變換器運行于MPP附近。文獻[25]將多通道的開關接口電路和Buck-Boost變換器級聯(lián)成了一個多DC輸入和多AC輸入的電能轉(zhuǎn)換模塊，并采取優(yōu)先權策略來確保多路輸入源能協(xié)調(diào)工作。針對機械振動能通道采用與輸入電壓峰值同步獲取電能的MPP控制方法，針對光能和熱能通道則采用開路電壓比率的MPP控制方法。文獻[26]在Boost變換器和Buck-Boost變換器的基礎上，采用開關矩陣構(gòu)建了一個多源輸入的雙路徑電能轉(zhuǎn)換模塊，并提出了阻抗匹配法與擾動觀測法時分復用的MPP獲取方案。

    此外，合理地收集并利用多種能量，通過取長補短的方式可滿足某單一能源對能量收集與管理系統(tǒng)的特殊要求^[19，27]，令整個能量收集與管理系統(tǒng)更容易實現(xiàn)。

3.2 相同類型多源整合的代表性方案

    相同類型的能量也存在著差異，因此多源能量收集與管理系統(tǒng)也需要包容相同類型能量之間的差異。針對多個錯峰的機械振動能收集應用，文獻[28]在Buck-Boost變換器的基礎上構(gòu)建了一個多輸入的開關同步變換器，同時采用輸入電壓峰值同步獲取電能的MPP控制方法。針對多個光能收集的應用，文獻[29]考慮常規(guī)MPP控制方案帶來的損耗，建議DC-DC變換器在高光照強度下仍采用常規(guī)的MPP控制方案，但是在低光照強度下則改用損耗較小的直接耦合的工作方式。

4 結(jié)論

    新興市場需要高度集成的能量收集與管理系統(tǒng)，國際各著名IC制造廠商應對需求陸續(xù)都有相關產(chǎn)品面世。隨著面向能量收集的電源技術產(chǎn)品化進程的不斷推進，進一步攻克相關研究領域中關鍵科技難題的愿望也變得越來越強烈。待進一步解決的關鍵科技難題主要有以下三點：(1)更低輸入電壓條件下更低功耗的電路啟動問題；(2)更低功耗地實現(xiàn)更精確跟蹤的MPP控制方法的問題；(3)更有效地實現(xiàn)多源能量收集與管理系統(tǒng)內(nèi)部融合的問題。今后，面向能量收集的電源技術發(fā)展將繼續(xù)圍繞上述三大關鍵科技難題展開，各種新的解決方案將不斷涌現(xiàn)。

參考文獻

[1] FAN P M Y，WONG O Y，CHUNG M J，et al.Energy harvesting techniques：energy sources，power management and conversion[C].2015 European Conference on Circuit Theory and Design(ECCTD)，Trondheim，Norway，2015：1-4.

[2] KADIRVEL K，RAMADASS Y，LYLES U，et al.A 330 nA energy-harvesting charger with battery management for solar and thermoelectric energy harvesting[C].2012 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers(ISSCC)，San Francisco，USA，2012：106-108.

[3] CAVALHEIRO D，MOLL F，VALTCHEV S.Novel charge pump converter with tunnel FET devices for ultra-low power energy harvesting sources[C].2015 IEEE 58th International Midwest Symposium on Circuits and Systems(MWSCAS)，F(xiàn)ort Collins，USA，2015：1-4.

[4] SUN Y，HIEU N H，JEONG C J，et al.An integrated high-performance active rectifier for piezoelectric vibration energy harvesting systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(2)：623-627.

[5] RAMADASS Y K，CHANDRAKASAN A P.An efficient piezoelectric energy harvesting interface circuit using a bias-flip rectifier and shared inductor[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2010，45(1)：189-204.

[6] KWON D，RINCON-MORA G A.A single-inductor 0.35 μm CMOS energy-investing piezoelectric harvester[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2014，49(10)：2277-2291.

[7] LAM Y H，KI W H，TSUI C Y.Integrated low-loss CMOS active rectifier for wirelessly powered devices[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2006，53(12)：1378-1382.

[8] DALLAGO E，MIATTON D，VENCHI G，et al.Active self supplied AC-DC converter for piezoelectric energy scavenging systems with supply independent bias[C].2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems(ISCAS)，Seattle，USA，2008：1448-1451.

[9] IM J P，WANG S W，RYU S T，et al.A 40 mV transformerreuse self-startup boost converter with MPPT control for thermoelectric energy harvesting[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(12)：3055-3067.

[10] CHEN P H，ISHIDA K，IKEUCHI K，et al.Startup techniques for 95 mV step-up converter by capacitor pass-on scheme and VTH-tuned oscillator with fixed charge programming[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2012，47(5)：1252-1260.

[11] WENG P S，TANG H Y，KU P C，et al.50 mV-input batteryless boost converter for thermal energy harvesting[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2013，48(4)：1031-1041.

[12] DESAI N V，RAMADASS Y K，CHANDRAKASAN A P.A bipolar ±40 mV self-starting boost converter with transformer reuse for thermoelectric energy harvesting[C].2014 IEEE/ACM International Symposium on Low Power Electronics and Design(ISLPED)，La Jolla，USA，2014：221-226.

[13] BRUNELLI D，MOSER C，THIELE L，et al.Design of a solar-harvesting circuit for batteryless embedded systems[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2009，56(11)：2519-2528.

[14] LI X，TSUI C Y，KI W H.Solar energy harvesting system design using re-configurable charge pump[C].2012 IEEE Faible Tension Faible Consommation(FTFC)，Paris，F(xiàn)rance，2012：1-4.

[15] KIM J，KIM J，KIM C.A regulated charge pump with a low-power integrated optimum power point tracking algorithm for indoor solar energy harvesting[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems II：Express Briefs，2011，58(12)：802-806.

[16] KIMBALL J W，KUHN B T，BALOG R S.A system design approach for unattended solar energy harvesting supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(4)：952-962.

[17] ESRAM T，CHAPMAN P L.Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques[J].IEEE Transactions on Energy Conversion，2007，22(2)：439-449.

[18] CHEN L H，CAO D，HUANG Y，et al.Modeling and power conditioning for thermoelectric generation[C].2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference(PESC)，Rhodes，Greece，2008：1098-1103.

[19] RAMADASS Y K，CHANDRAKASAN A P.A battery-less thermoelectric energy harvesting interface circuit with 35 mV startup voltage[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits，2011，46(1)：333-341.

[20] KIM J，KIM C.A DC-DC boost converter with variation-tolerant MPPT technique and efficient ZCS circuit for thermoelectric energy harvesting applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(8)：3827-3833.

[21] OTTMAN G K，HOFMANN H F，BHATT A C，et al.Adaptive piezoelectric energy harvesting circuit for wireless remote power supply[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17(5)：669-676.

[22] LEE C K，CHAN P K W.OR S W.Loosely power flow control scheme for piezoelectric energy harvesting[J].Electronics Letters，2010，46(25)：1689-1691.

[23] SANKMAN J，MA D S.A 12-μW to 1.1-mW AIM piezoelectric energy harvester for time-varying vibrations with 450-nA IQ[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(2)：632-643.

[24] HUANG T C，DU M J，LIN K L，et al.A direct AC-DC and DC-DC cross-source energy harvesting circuit with analog iterating-based MPPT technique with 72.5% conversion efficiency and 94.6% tracking efficiency[C].2014 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers，Honolulu，USA，2014：1-2.

[25] DINI M，ROMANI A，F(xiàn)ILIPPI M，et al.A nanocurrent power management IC for multiple heterogeneous energy harvesting sources[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2015，30(10)：5665-5680.

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