隨著低功耗個人電子設備的普及，對人體動能，體溫，外部射頻甚至內部生化源清除能量的興趣不斷增加。設計由生物源驅動的合適裝置在選擇合適的能量換能器和提取最大能量方面提出了重大挑戰。在創建這些設計時，工程師可以利用制造商的傳感器和節能IC，包括CUI，Cymbet，Linear Technology，Measurement Specialties和Mide Technology等。

體域網絡

對于消費者而言，體域網絡的承諾（BAN，圖1）提供了健康綜合視圖;對于設備制造商而言，BAN代表了新類設備的重要機遇。與此同時，眾多嵌入式設備的成功部署取決于它們能夠在沒有充電的情況下一次運行數月，甚至根本不需要再充電或更換電池。

圖1：在體域網（BAN）中，由能量收集驅動的嵌入式傳感器監測關鍵的健康和健身因素，為醫療服務提供者提供廣泛而深刻的健康狀況（圖片由IMEC提供）。

因此，對擴展操作的需求促使人們越來越關注捕獲正常人類活動（如行走和呼吸）產生的未使用電力。除了這些以消費者為導向的驅動因素之外，對能源采集的興趣在醫療領域迅速增長。消除或阻止電池更換的能力還有助于確保其他關鍵應用（如血糖監測儀和ECG監護儀）的始終在線操作和患者依從性。

能量收集解決方案還可以直接促進患者安全。由環境能量驅動的可植入裝置不僅減小了植入患者體內的包裝的尺寸，而且還降低了與電池更換相關的成本和風險，其目前必須每6到10年進行一次外科手術。通過無電池操作提供的植入式心臟起搏器的尺寸減小也使得能夠實現更具創新性的醫療解決方案，例如消除心臟探測器以及將起搏器附接到左心室的能力，這尤其易于傳統起搏器的風險。

事實上，心臟起搏器和心肺裝置通常非常適合能量采集，因為可用的環境能源范圍包括心肌運動，血流量和溫差。除了設計用于收獲與心肌收縮相關的動能的裝置外，其他解決方案也希望利用血流的能量。退伍軍人事務部開發了一種動脈袖套能量采集器，旨在為各種植入設備提供動力，以持續監測疾病，心臟功能，動脈瘤和糖尿病。使用壓電傳感器，收割機環繞動脈并通過動脈壁的膨脹和收縮產生動力。

雖然生物能源采集導致了比消費者或工業應用中更多的新穎解決方案，但這種收割機的性質遵循一種熟悉的模式。與傳統收割機一樣，生物資源能量收集設計將環境能源電源與MCU和無線電，或支持預期應用所需的其他通信子系統相結合（圖2）。

圖2：用于體域網（BAN）應用的典型傳感器將生物源能量采集器（頂行）與應用電路（底行）結合，用于采集，處理數據并將數據傳輸到其他BAN設備（由德州儀器提供） ）。

電力需求和資源

除了更復雜的醫療應用，如心臟起搏器或心臟同步器，旨在從生物源獲取能量的設備通常具有非常低的功率要求。簡單的心率監測器可能只需要支持100個樣本/秒。在10位分辨率下，1 kbps數據速率將允許使用超低發射器功率將數據傳輸到主機或本地數據集中器。如果發射機功率以近距離通信所需的最低水平運行，則這種設備的總功耗可能只有幾微瓦。

對于生物能源采集，能量傳感器將包括機械傳感器，溫度傳感器，甚至燃料電池設計。此外，工程師正在使用磁耦合諧振器用于無線電源，能夠為植入的能量存儲設備（如薄膜電池）充電。

在可用的資源中，運動或振動形式的動能通常是最通用和普遍存在的環境能源。研究表明，一只腳的腳跟在堅硬的表面上可以獲得高達1 W的能量。其他研究發現，即使是由人類心跳引起的運動也可能產生10微瓦的功率，遠高于起搏器的標稱功率要求。

在動力學采集應用中，合適的傳感器包括壓電設備，如Mide Technology Volture系列中的V22BL，或Measurement Specialties LDT系列中的LDTO-028K。使用這些裝置，由于肌肉運動導致的相對較小的偏轉可以產生顯著的電壓輸出（圖3）。壓電器件在其諧振頻率下產生最大能量輸出，工程師可以通過在典型壓電器件的懸臂上增加質量來改變。諸如Measurement Specialties LDTM-028K之類的可用設備配備有用于修改諧振頻率的小型可移動質量元件。

圖3：諸如Measurement Specialties LDTO-028K之類的壓電器件產生顯著的電壓輸出，其中壓電膜的偏轉相對較小，通常夾在涂層之間（Courtesy of Measurement Specialties）。

工程師還可以通過利用塞貝克效應來獲取大量能量，使用熱電傳感器從人類表皮和周圍空氣之間的溫度梯度產生能量。 CUI CP60系列中的CP60240等設備即使在很小的溫差和負載下也能產生毫瓦的功率（圖4）。

圖4：諸如CUI CP60240之類的熱電裝置可以利用人體與周圍環境之間的溫度梯度，在典型的能量收集應用的小負載下產生毫瓦功率（CUI提供）。

工程師可能很快就會發現從另一個來源獲取環境能量的可用性，由體內葡萄糖或其他糖類驅動的微型燃料電池。葡萄糖燃料電池通常在兩組中的一組中發現，酶催化和由非生物材料催化的那些。在任何一種情況下，裝置都將葡萄糖氧化成葡萄糖酸，導致電子對的釋放。雖然基于酶的燃料電池可能需要最終更換酶催化劑，但科學家已經創造了兩種類型的燃料電池，其微波持續功率輸出。

RF感應和超聲波

雖然動能和熱能收集代表了為BAN設備供電的最可能的來源，但公司可以采用更直接的方法為嵌入式應用中內置的存儲設備充電。使用RF感應，工程師可以為包括植入設備在內的BAN設備充電。此外，即使對于使用與RFID標記和通信相同的方法的植入設備，RF感應的使用也將實現雙向數據通信。

與人類一起使用時，RF感應技術需要仔細考慮暴露于RF能量的組織的特定吸收率（SAR）。對于1g或10g組織，以瓦/千克為單位測量的SAR值根據以下等式與偶然電場直接相關：

其中σ和ρ是電導率并且所涉及組織的密度，E | 2是入射電場的范數。

最大SAR值取決于國家法律，并取決于頻率范圍。 IEEE指南規定，對于任何10克手，腕，腳和腳踝組織，一般公眾暴露的SAR限值為4 W/kg，對于任何1 g任何其他組織，均為1.6 W/kg。國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）規定，對于任何10克頭部和軀干，一般公眾暴露的SAR限值為2 W/kg，對于任何10 g肢體，為4 W/kg。

超聲波也被用于將能量轉移到植入設備。雖然功率傳輸效率低，但這種方法可以為植入設備提供毫瓦功率。使用低于1MHz的相對短的超聲頻率突發避免了局部加熱效應，其形成高頻治療超聲治療的基礎，同時提供足夠的能量來為能量存儲裝置充電。

最大化輸出

無論能源如何，從生物源獲取有效能量的關鍵仍然是最大化傳感器輸出的關鍵。壓電和熱電傳感器都是恒阻抗器件，反映了特有的電流 - 電壓曲線（圖5）。除了這種相似性之外，壓電器件通常表現出10kΩ至100kΩ范圍內的輸出阻抗，其輸出取決于其諧振頻率，如前所述。另一方面，熱電發電機表現出低得多的輸出阻抗，通常小于500Ω。

圖5：盡管在電氣特性方面表現出顯著差異，但壓電和熱電傳感器是具有類似I-V曲線的恒阻抗裝置（由Cymbet提供）。

對于這些設備，最大化功率輸出意味著將傳感器上的負載保持在其最大功率點（MPP）。在遠離MPP的負載下操作導致來自換能器的功率顯著降低，并且可用于直接對本地能量設備或負載充電。對于穩定的環境，MPP通常位于傳感器開路電壓值的一半。

更多異國能源如葡萄糖燃料電池可以根據成分和操作條件呈現出截然不同的曲線，類似于恒定阻抗源，在某些情況下具有鐘形功率曲線并且類似于非線性源，例如具有高度非線性功率曲線的光伏電池。

在實踐中，MPP是一種動態特性，取決于包括溫度在內的運行條件。為了最大限度地提取功率，工程師可以使用專門用于能量采集應用的可用設備。諸如Cymbet CBC915能量處理器之類的設備提供了用于最大功率點跟蹤（MPPT）的復雜算法，可持續評估傳感器能量輸出，并在輸出電平開始下降時自動搜索新的MPP。 CBC915設計為能量收集的單芯片解決方案，它將MPPT功能與充電管理功能相結合，用于充電和保護薄膜存儲設備，如Cymbet CBC050和Cymbet EnerChip?系列的其他成員。

雖然CBC915等設備支持動態MPPT，但其他設備允許工程師使用電阻器將傳感器輸出電壓編程為固定電平。凌力爾特公司的LTC3105 DC/DC轉換器專為熱能收集應用而設計，允許工程師使用單個電阻器對MPP進行編程。反過來，器件動態調節平均電感電流，以防止輸入電壓降至低于MPPC閾值。

Linear還提供用于壓電能量收集的LTC3588-1，集成了全波橋式整流器，能夠在壓電換能器的各種機械偏移范圍內提取功率（圖6）。 LTC3588-1專為直接與壓電器件接口而設計，只需少量外部元件即可構建完整的電源。該器件對電壓波形進行整流，將收集的能量存儲在外部電容CSTORAGE上，并向負載提供穩壓輸出。

圖6：專為壓電能量采集而設計，凌力爾特公司的LTC3588-1具有全波橋式整流器和高效率DC/DC轉換器，只需少量外部元件即可完成壓電能量采集電源（由Linear Technology提供） ）。

摘要隨著人們對體域網設備的興趣和需求的增長，電子產品制造商面臨著減少或消除電池更換的同樣不斷增長的需求，同時確保日益復雜的應用的長期運行。為了滿足這些相互矛盾的要求，系統設計人員可以利用與日常活動相關的各種動能和熱能源。通過仔細關注傳感器特性，工程師可以從這些環境源中提取足夠的功率，為各種面向BAN的無電池設備供電。