在歷史上，永動機一直被人們討論和研究，但是，很多人并不清楚這背后到底有什么意義。在人們的想象中，永動機是一種機械裝置，它可以不停地自動運動，而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。13世紀就有人就試圖想制造這種機械裝置，但是直到21世紀也沒有人真正制造出來。科學常識豐富的當下，人們當然明白這種機械是不可能制造出來的，原因是違反能量守恒定律和熱力學定律。然而，今天領先的環境能量采集技術賦能下，一些看起來更像“永動機”的電子系統卻在生活或工業領域獲得普及應用，本文以ADI公司的環境能量采集技術的三個應用案例，解讀基于能量采集解決方案的現代技術實現“永動機”的方案思路。

電網數據采集的最常見應用場景之一是被稱為故障指示器的節點監控系統，當用電線路故障發生時，它會檢測并發送警報，使得線路工作人員能夠在最短時間內檢修故障設備。過去因為電力公司的預算和資源有限，面對高昂的累計采購成本和大量的經常性維護工作，往往無法在龐大的電力基礎設施中部署更多故障指示器。

基于ADP5091的環境能量采集電力線監測解決方案

為解決上述難題，ADI開發了一種新型線路傳感器架構實現了有效的環境能量收集并管理多個電源，通過優化的最大功率點跟蹤實現了超過90％的功率轉換效率。此外，具有寬動態范圍和高壓擺率的低功耗運算放大器支持羅氏線圈架構，并以電流測量精度將磁場干擾降至最低，集成的ISM波段收發器執行RF通信并支持傳感器網絡協議。該解決方案主要優勢是能高效采集電能，而且只需更少的維護，并支持系統更快啟動、功耗更低和運行更平穩。

其中核心芯片是ADP5091，提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉換，工作損耗為亞μW級別。利用內部冷啟動電路，調節器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，調節器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內正常工作。額外的150mA調節輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過檢測輸入電壓，控制環路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內，從而保持穩定的DC-DC升壓轉換。在OCV動態檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調節點允許最大限度地提取采集器的能量。

基于塞貝克效應的溫差發電為低功耗可穿戴永續供電

溫差發電的工作原理基于塞貝克效應，通常由數百個N型和P型材料的柱體結構組成的熱電發生器，從電路上看它們通過串聯方式增加溫差電勢，而在傳熱方面通過并聯連接增加熱能的使用效率。當器件兩端存在溫差時，熱場驅動載流子運動并在回路中形成溫差電流，以此來輸出功率。利用由系統內溫度變化而產生的電能，能夠運作尤其是低功耗電路設計的系統，讓一些無法使用電池，或是電力線的低功耗應用可以實現。現在，甚至可以利用人體熱量為穿戴設備的傳感器供電。

以ADI高度集成的 DC/DC 轉換器LTC3108為例，其非常適合于收集和管理來自諸如TEG、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產生3.3伏電壓，在10度溫差時，大概就能產生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。如果將其用于可穿戴設備，人體的體表溫度可能有35度，即使環境溫度有25度，也能有10度的溫差，更大溫差能夠產生更大的功率，而且是可以持續不斷的為可穿戴設備供電，實現真正的“免充電”。

LTC3108 TEG 能量采集裝置的應用

采集環境無線電能量的無電池供電解決方案

無線功率傳輸(WPT)系統由氣隙分隔的兩部分組成：發射(Tx)電路（包括發射線圈）和接收(Rx)電路（包括接收線圈）。與典型的變壓器系統非常相似，發射線圈中產生的交流電通過磁場感應在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統不同的是，原邊（發射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

目前大多數無線功率傳輸應用都采用無線電池充電器配置。但是，如果特定應用根本沒有電池，取而代之的是，當無線電源可用時，只需提供一個穩壓的電壓軌，遠程傳感器、計量、汽車診斷和醫療診斷領域，此類應用的例子極為常見。如果該遠程傳感器僅需要用戶在其附近時給出讀數，則可按需進行無線供電。

LTC3588-1就是一款納安功耗能量收集電源解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優化，適合于無線電波環境能量采集。它內置了一個低損耗全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器，用于將能量從一個輸入存儲器件傳輸至輸出，以產生一個可支持高達 100mA 負載的穩定電壓。下圖顯示了采用LTC3588-1的完整發射端和接收端WPT解決方案(值得一提的是，該方案供電的距離適合2mm以內的應用)。

WPT采用LTC3588-1提供穩定的3.3 V電壓軌