可攜式電源應用領域可說是既廣泛又多樣化，從僅消耗幾微瓦(μW)平均功率的無線感測器網路(WSN)，到採用數百瓦電池組的推車式醫療或資料擷取系統，種類非常豐富。
不過，儘管產品種類繁多，該領域呈現的發展趨勢卻相對較為集中，亦即設計者所設計的產品不斷需要更高的功率以支援日益增加的功能，而且設計者要求任何可用電源都能為電池充電。
第一種趨勢意味著增加電池容量，但不幸的是，用戶常常沒有那麼高度的耐心，所以增大的容量必須能夠在合理的時間內充完電，這又導致充電電流增大。第二種趨勢需要電池充電解決方案具有極高彈性，因為這類解決方案需要因應多種輸入電源和功率。
幸運的是，在功率範圍的低端，是能量採集系統的毫微功率轉換需求，例如在WSN中常見和必須使用電源轉換IC的能量採集系統，這類系統主要處理非常小的功率和電流，可能分別是數十微瓦的功率和幾奈安培(Nanoamp)的電流。
在典型工作條件下，最新和現成的能量採集產品(例如在震動能量採集和室內太陽能電池中使用的能量採集產品)能產生毫瓦量級的功率。儘管這種量級的功率看似有限，但是採集元件的長年運作，意味著就能量供應和每能量單位的成本而言，能量採集產品與長壽命的主電池可以大致相似。
此外，採用能量採集技術的系統一般能夠在電量耗盡後再充電，而由主電池供電的系統則無法達到這個特點。不過，大多數情況下，會採用環境能源做為主電源，而用主電池補充環境能源，如果環境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。
考量WSN個別元件功耗
在生活周遭有著豐富的環境能源，傳統的能量採集方法是採用太陽能電池板和風力發電機。不過，新的採集工具允許利用多種環境能源產生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而是「平均採集到多少」可用來為電路供電的能量。
例如，熱電發生器將熱(或冷)轉換成電，壓電元件轉換機械震動，太陽能電池轉換太陽光(或任何光源)，透過化學作用產生電流的元件轉換潮氣為能量。這使得為遠端感測器供電成為可能，或者可為電容、薄膜電池等記憶體件供電，如此就能為地處偏僻的微處理器或發送器供電，而無需本地電源。
一般而言，在非傳統能源市場使用的IC必須具備的性能特點如下：很小的備用靜態電流(一般情況下低於6微安培，最低可低至450奈安培)、很低的啟動電壓(低至20毫瓦)、很強的輸入電壓能力(高達34瓦連續電壓和40瓦暫態電壓)、能夠處理交流電(AC)輸入、多輸出能力和自主的系統電源管理、自動極性工作、因應太陽能輸入的最大功率點控制(MPPC)、能夠從低至1℃的溫度變化中採集能量、外部零組件最少(精小的解決方案)。
WSN基本上是自足式(Self-contained)系統，其由某種換能器組成，以將環境能源轉換成電訊號，其後通常伴隨的是直流對直流(DC-DC)轉換器和管理器，以透過適當的電壓和電流為下游電子元件供電。下游電子元件通常由微控制器(MCU)、感測器和收發器所組成。
在嘗試建置WSN時，有一個需要考慮的問題是：需要多少功率才能使該WSN運作？這個問題理論上似乎相當簡單。然而，實際上因某些因素使問題變得難以回答。例如，獲取讀數的頻度有多高？或者，更重要的是資料封包會有多大？資料須要傳送多遠？這是因為就獲取一次感測器讀數而言，收發器大約消耗系統所用能量的50%。有幾種因素會影響WSN能量採集系統的功耗特性，如表1所示。
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| 表1 影響WSN功耗特性的因素 |
當然，能量採集能源提供的能量取決於該能源能存在多長時間。因此，比較能量採集能源的主要衡量標準是「功率密度」，而不是「能量密度」。採集能量時一般會遇到很小、可變和不可預測的可用功率，因此常常採用混合結構，亦即連接採集器和輔助電力儲存庫的結構。
採集器由於能量供應無限(但功率不足)，而成為系統的能源。輔助電力儲存庫(或是電池、電容器)能產生更高的輸出功率，但是儲存的能量較少，因此在需要時才供電，否則其將定期接收來自採集器的電荷，所以在沒有環境能源可供採集能量的情況下，必須用輔助電力儲存庫為WSN供電。
當然，從系統設計者的角度而言，這個方式會提高複雜度，因為必須考慮輔助電力儲存庫要儲存多少能量才能補償環境能源的不足。針對須儲存多少能量的問題，則取決於幾種因素，包括在多長時間內沒有環境能源可用；WSN的工作週期比(即必須讀取和傳輸資料的頻度)；輔助儲存庫(電容、超級電容或電池)的大小和類型；是否有足夠的環境能源可用，既能充當主能源，又有充足的能量保留下來，以在有一段時間內無法取得主電源時，可為輔助儲存庫充電。
環境能源包括光、熱量差、振動波束、所發送的射頻(RF)訊號或者其他任何能夠透過換能器產生電荷的能源。表2說明了不同能源能夠產生之能量多寡。
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| 表2 各種能源以及其所能夠產生的能量多寡 |
在許多應用中，這樣的功率值對系統部署都是有意義的，例如飛機腐蝕感測器、汽車調光窗、橋樑監視器、大樓自動化、電表、氣體感測器、健康監視器、HVAC控制、電燈開關、遠端管道監視器以及水表。
非傳統能源帶來很多機會，其中一個很好的例子是太陽能供電電子設備市場。隨著企業尋找各種降低能耗的方法，這個市場正持續成長。以智慧電表(Smart Meter)而言，其部署在智慧電網(Smart Grid)上，而且由環境能源給智慧電表供電很有利，因此可降低營運能源成本。太陽能是一種可行和充足的能源，然而，由於太陽能的功率可變且不可靠，因此幾乎所有太陽能供電設備都會配備可再充電電池。因此，當前的重要目標是汲取最大量的太陽能，以為這些電池快速充電並使其保持充電狀態，而當沒有太陽能可用時，就可將這些電池做為能源使用。
很顯然地，WSN只有非常少的能量可用。這又意味著，系統中所用元件必須能夠因應這麼低的功率位準。儘管收發器和微控制器可解決這個問題，但是在電源轉換方面，仍然有待加強。不過針對此種需求，凌力爾特(Linear Technology)已經推出LTC3330(圖1)。
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| 圖1 能量採集器和電池壽命延長器 |
毫微功率IC解決方案應運而生
LTC3330是一款完整的可調節能量採集解決方案，在可採集能量可用時，提供高達125微安培(mA)的連續輸出電流，以延長電池壽命。當用採集的能量向負載提供穩定功率時，該元件無需電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅汲取750奈安培(nA)電流。該解決方案整合了一個高壓能量採集電源，當用主電池供電時，還有一個同步升降壓DC/DC轉換器，如此便可為能量採集應用提供一個不間斷的輸出，例如無線感測器網路的能量採集應用。
LTC3330的能量採集電源由全波橋式整流器組成，包含交流電(AC)或直流電(DC)輸入以及一個高效率同步降壓轉換器，從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性(AC)能源採集能量。主電池輸入為一個同步升降壓轉換器供電，該轉換器的輸入電壓範圍為1.8伏特(V)至5.5伏特，當沒有採集能量可用時，無論輸入高於、低於或等於輸出，該轉換器都可用來調節輸出。當採集能源不再可用時，LTC3330會自動轉換到電池。此種方式提供了一個附帶的好處，亦即如果合適的能量採集電源至少在一半的時間內可用，那麼透過電池供電的WSN，其工作壽命將可從10年延長至超過20年，而能量採集電源若更加普遍存在，則可用時間甚至更長。
這是非常有意義的，因為一塊Tadiran"C"電池的價格約為16美元。因此人工更換電池的成本非常高。或者，使用者可以使用一塊較小的(壽命更短的)電池以降低系統總體成本。
能量採集器進駐可攜式電子裝置
儘管為了正常運作，可攜式應用和能量採集系統有從數微瓦到高於1瓦的多種功率級，但是有很多電源轉換IC可供系統設計者選擇。不過，在功率範圍的較低端須要轉換數奈安培的電流，這裡的選擇就變得有限。幸運的是，新的能量採集器和電池壽命延長器具備極低的靜態電流，適用於低功率應用。在可攜式電子裝置中，低於1微安培的靜態電流可延長保持有效電路的電池壽命，實現如WSN等新一代能量採集應用。
(本文作者為凌力爾特產品行銷總監)