超低功耗元件技术成熟　能源采集系统实现自我供电

超低功耗(Ultra-low Power, ULP)技术正广泛地让各式各样的能源採集新应用成真。自给自足式(Self-sustaining)装置可以透过採集小额环境能源，且不太须要维护功夫，即可永久(Perpectual)或近乎永久地运作。这些新系统逐渐应用在工业与消费性电子产品中，也可望大幅改变医药与保健科技。

不久之前，採集微量能源或周遭微小能源以发动电子系统，听来仍是遥不可及的概念，仅限于研究提案或实验题材。今日已有愈来愈多系统开始善用在过往遭到浪费的环境能源，如光线、震动等，供应电源线路或电池维护不易的设备。能源採集技术正迅速拓展至各种新应用，例如工业领域常运用感测器，从远距设备与有害製程中收集资讯；消费性电子藉此达到行动与便利的目标；医疗系统则用它来解决义肢及非侵入式监控的特殊需求。

这些系统可自行收集能源，维护需求也很低，由于日渐普及，人们自然好奇这些智慧系统何时能完全自给自足？也就是说人类还需要多久时间，才能创造出可永恆运作、完全不须维护的装置？其实某些应用早已开始採用这种装置。早在1970年代，德州仪器(TI)等公司推出设有小型太阳能面板的手持式计算机，这些大小如信用卡的第一代系统，有些至今仍在使用，帮助民众计算小费与购物总额，尤其在汰旧换新速度飞快的消费性电子市场裡，使用30年听来已像永恆。

使用这类自我供电计算机时若要看到按键与萤幕，必须接近光源，显示在许多情况下，环境能源与应用产品存在共生关係，这也是能源採集的商机所在。计算机只须显示数字结果，而其他系统可能得透过网路传输资料与资讯。新式能源採集应用多半是各种能够相互沟通的感测器与监控装置，附带的电池可运作多年、不须维护，几乎已经可以称为长久型装置(Perpetual Device)。

在不久的未来，住家、办公室、工厂、道路、医院、甚至人体内，都将出现更多能源採集装置，这些电子装置从环境中取得电源，维护需求极低，能与其他系统或网路云端沟通。对这类系统的设计师而言，不仅要思考如何权衡效能、用电需求与成本，也得在公用系统和可用能源间达到平衡。甚至得发挥想像力：如果供电来源仅有洒落桌面的光线，或是因步行产生的地板震动，智慧系统还能发展出哪些用途？

业界厂商在推动能源採集系统背后的超低功耗技术时，也得深思这些议题。目前业界产品早已广泛应用于这类应用，技术发展方向也根据此一快速发展领域的未来趋势所拟定。由于未来业界将开发出各种利用极微量能源的新应用，超低功耗的定义也将改变，换言之，今日所谓的超低功耗，他日可能是耗能大户。此外，降低功耗需求后，这类装置的部署数量将大为增加，进而建构更密集的网路。由于产业与消费者藉由此类装置派送智慧资讯的状况日趋普遍，业界厂商正在研发如何让系统脱离传统电源，并关注未来长效装置将如何发展。

[@B]能源採集应用花开遍地[@C] 能源採集应用花开遍地

未来能源採集系统不论是否为长久型装置，多半将做为网路的周边装置或远端节点。应用装置若已具备电源线，或是需要电池维持机械运作功能，应不至于迅速改变；但新型应用装置散布智慧资讯与沟通的范围将超过中央系统。部分使用电池或电线供电的现有应用装置类别，未来则可能改为能源採集，以节省成本与耗能。另一方面，能源採集应用装置大多扮演沟通角色，记录远端资讯后回送中央系统，或发挥传输开关功能。此种用途让物联网(IoT)不再限于传统电源的电器，而能拓展至迄今仍鲜少具备沟通功能的领域。

早期应用装置横跨工业与消费性电子，而快速兴起的医疗系统则提供许多值得注意的潜在商机。工业系统建置通常针对长期运作，让初期成本能长期获得回报。外型规格则以实用与功能齐全为主。对工业环境而言，极小型能源採集系统的重要性在于，可方便感测器等小型设备安装于维护不易与昂贵的偏远区域。

桥梁与建筑物结构感测技术近来广受各界瞩目，感测器可记录压力大小或材质变化，再传输资料至中央系统，藉此判断结构体质与安全程度。这些感测器运用压电收集器，从震动压力收集能源，在很短的时间内可达数百微焦耳(Microjoule)。在部分感测器中，採集到的能源便用来驱动超低功耗微控制器(MCU)与发送器。另一种应用则是在有害工业环境内放置感测器，因为这类环境不易取得系统资讯以进行维护。若此类感测器能採集周遭能源，人员进出风险即可减少，也不必为了照顾设备而中断製程。

在消费性电子方面，由于成本与外型规格相当重要，可就工业领域内不存在的新型便利装置开拓商机，或针对现有产品开创新用途。例如许多消费性电子都附有遥控器，必须定期更换电池。此类系统很适合改用能源採集，不过基于成本考量，能源收集设计的价格竞争力不得逊于现有电池产品。住家与办公室如今也需要完全无线的电子装置，例如太阳能电脑键盘或电子墨水显示器等。另一方面，由于住家及办公室能源成本日增，恆温器等室内环境感测器必须提高效能，才可增加安装地点，或迁移至更适合的场所。就连一般电灯开关也可以使用长效装置--按键时所产生的能源，就足以传送指令开关灯具。这些系统都是能源採集的潜在用途，省下线路配置与更换电池的麻烦。

医疗系统为电子学新领域，而自我供电设备拥有显著优势(表1)。目前正在研发能用人体热能或动作供电的心律调节器，不必定期更换电池或动手术维护。微型能源採集若适用于心律调节器，亦可用于其他正在积极研发的体内植入式装置，藉以提升视力与听力，以及协助义肢移动。穿戴式或植入式健康监测器也可能做为人体网路进行无线通讯，再个别或统一传送讯息至外部系统，让医疗人员能够掌握资讯，未来这些人体资讯监测器的照护功能也能继续延伸，进入患者居家照护或任何场所中。

这些例子说明能源採集应用装置未来可能发展，不过还有其他较为迷你的商机。例如，想像咖啡杯附设温度感测晶片，可以通知你的智慧型手机咖啡已凉或快要见底。手机接著把讯息传递给最近的咖啡壶，或提醒你该煮咖啡了。这样的产品也可以只是个逗趣的小礼物，像是一打开会发出音乐声的卡片，但由此可见，电子科技也有好玩的用途。同样地，步行时可藉由鞋跟採集能源，脚上所踏的地砖亦然，鞋子可以用来监测足部压力点，以找出最适合你的袜子或鞋垫、智慧地砖能监控行人移动速度，藉以控制交通号志与路灯。这些案例或许听来无聊，但背后概念却相当严肃--建立自我供电长效装置的迴路早已存在，价格愈来愈平实，应用范围也愈来愈广泛。 [!--empirenews.page--]

ULP元件技术突破　能源採集趋势快速普及

能源採集趋势之所以兴起，必须归功于多项科技变迁。有了云端网路才能大范围派送智慧资讯，让所有非智慧装置都能有效进行运算与沟通，至于系统内部技术本身，能源採集器必须能够收集与缓衝周遭能源，再以最具效率的方式加以运用。

光线转换面板，还有压电与热能转能器的技术改良后，小规模能源採集系统的效能亦逐渐提高。例如室内太阳光电採集器的集光效能可望加倍，以200勒克斯(lux)为标准，每平方公分可从10微瓦(μW)增至20微瓦。电池技术提升后，亦可提高缓衝能力，电压供应也更稳定；超级电容也提高能源储存效能，方便传输时所需的大量能源爆发。不过进展最显著的领域仍为主动电子元件，拜技术创新之赐，可运用更低电力、更低成本发挥更多功能。

能源採集系统包括低功耗资料转换器、数位讯号处理器、微控制器，且在16位元装置中功耗最低(图1)。此外，奈米电力升压充电器等电源管理晶片提供理想的充电控制功能，适用于太阳能、体感、热能採集系统的电池与超级电容。奈米电力升压充电器一大特色为最大功率点追踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)，可优化能源採集效果。

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图1　能源採集讯号链与电源管理各阶段的超低功耗零组件

儘管大众较常注意到大型太阳能、风力、潮汐装置发展趋势，但你我周遭採集环境能源的小型系统已出现稳定成长趋势。这些装置均几乎可达到长效运作目标，对居家、办公、工厂、道路、医院，甚至人体各种应用都日益重要。收集与缓衝技术的发展推动这类应用成长，更重要的是超低功耗线路快速进步所致。