TENG能量收集技术走红，却无电源芯片可用……解决难题，只需一招！

2026-07-09 09:53 来源：贸泽电子电源管理 5 次阅读

摘要： 图源：Freepik 能量收集（Energy Harvesting）技术近年迎来了爆发式的发展。随着物联网（IoT）、可穿戴设备和无源传感器网络的普及，传统的“定期更换电池”模式在成本和维护上变得越来越不现实。因此，从周围环境中收集微量能量来维持设备运转成为了行业热点。来自Mordor Intelligence的数据显示，能量收集系统市场规模将从2025年的41亿美元增长到2031年的60.6

图源：Freepik

能量收集（Energy Harvesting）技术近年迎来了爆发式的发展。随着物联网（IoT）、可穿戴设备和无源传感器网络的普及，传统的“定期更换电池”模式在成本和维护上变得越来越不现实。因此，从周围环境中收集微量能量来维持设备运转成为了行业热点。

来自Mordor Intelligence的数据显示，能量收集系统市场规模将从2025年的41亿美元增长到2031年的60.6亿美元，2026年的市场规模预估为43.8亿美元，在2026-2031年期间以6.74%的复合年增长率增长。对无电池物联网设备的需求不断增长，超低功耗电子产品在工业和消费环境中的普及支撑了这一增长。

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator，简称TENG）是近几年能量收集领域的明星技术，它能够把日常生活中非常不起眼的机械能比如手指敲击键盘、走路时的摩擦、甚至风吹树叶的晃动转化为电能。许多较小规模的电气设备正在尝试采用TENG来供电，包括植入式医疗设备、可穿戴医疗设备、远程监控技术、物联网技术，甚至自供电的空气消毒系统。

为什么TENG会成为热门？

图1：（图源：Freepik）

当前极热门的能量收集技术主要集中在以下五大领域，它们各自面向不同的应用场景：

动能/机械能采集。这是目前学术界和工业界极其活跃的领域，主要利用环境中的振动、摩擦或人体运动来发电，其核心技术就是摩擦纳米发电机（TENG）。该技术利用两种不同材料接触和分离产生的静电荷来发电，具有极高的低频能量转换效率和材料多样性，主要应用于可穿戴与运动设备，将其集成在鞋底、背包或衣服纤维中，利用人体走路、呼吸或心跳为智能手表、健康监测贴片供电。
光能/太阳能采集（Photovoltaic）。光伏技术已经非常成熟，目前的热门趋势是向着微光、室内环境和柔性化方向发展，可用于室内温湿度传感器、智能门锁、电子价签（ESL）等，这些设备功耗极低，仅靠室内的LED或荧光灯散射光即可永久运行。
热能采集（Thermoelectric）。利用塞贝克效应，只要存在温度差，就能将其转化为电能，目前的热门研究方向是如何将热电发生器做得更轻薄、具有柔性并贴合人体。在体温供电可穿戴设备中，利用人体皮肤与周围环境空气的温差，为智能戒指或低功耗微控制器持续供电。
射频/电磁波能量采集（RF Energy Harvesting）。整流天线和环境反向散射通信可以捕捉空间中的Wi-Fi、蓝牙、电视信号或5G信号，并将其整流为直流电，为无电池的超高频RFID 标签供电。
生物化学能采集（Biofuel Cells）。这属于相对前沿但极具潜力的领域，主要通过酶或微生物引发的化学反应发电。

摩擦纳米发电机（TENG）之所以会成为当前能量收集的热门技术，主要源于它所具备的三大特征：

材料选择几乎无限：任何两种具有不同摩擦电极性的材料都可以用来制作TENG，比如纸张、丝绸、橡胶、塑料甚至水滴。
低频效率极高：传统的电磁发电机在低频（<10Hz）下效率极低，而TENG在人体运动、海浪等低频环境中的能量转换效率表现极其出色。
低成本与柔性：可以用极低的成本印刷或涂布在柔性薄膜、布料上，天生就是为可穿戴设备而生的。

目前，TENG的主要应用市场是消费电子产品，因为越来越多的人需要可以随身携带的自供电设备。当TENG被应用于可穿戴设备、智能手机时，可延长这些设备的电池寿命，使它们更易于使用，从而有助于市场的稳定增长。其中一个重要原因是聚合物基TENG具有柔韧性、重量轻且易于制造，可与织物和柔性支撑相结合。

植入和远程医疗系统对可靠电力的需求促使了依赖自我维持电力的医疗保健和医疗设备的发展。到目前为止，从空气消毒到植入式起搏器，再到可穿戴监测设备、远程传感器，都可以使用TENG作为电源。

“跨界”产品赋能TENG应用

图2：（图源：Freepik）

在当前的半导体市场上，几乎没有一家大厂推出过在数据手册上明确标明“专为TENG设计”的通用量产芯片，这主要是因为TENG的输出特性对传统的硅基集成电路极其不友好，比如其具有极高的电压与交流脉冲。

TENG动辄会输出几十伏甚至上千伏的交流电，这会瞬间击穿大多数耐压只有几伏的PMIC。此外，TENG的内阻通常在兆欧（MΩ）甚至吉欧（GΩ）级别，直接接入芯片会导致严重的阻抗失配，能量根本传输不进去。

因此在实际的工程研发中，工程师会通过“跨界”使用一些原本为其他应用而开发的芯片，来处理TENG能量收集的工作。比如，由于压电（Piezoelectric）发电机与TENG的输出特性（高压、高阻抗、交流电）非常相似，工程师们通常会借用压电能量收集芯片，或者搭配外围整流电路来适配TENG。

下文中，我们将以Texas Instruments和Analog Devices在TENG领域的常用解决方案为例，进行详细的解析和说明。

Analog Devices解决方案

直接借用压电芯片

Analog Devices有一款针对压电材料的“神级”芯片，可被TENG直接“借用”。

LTC3588-1和LTC3588-2自带整流桥，芯片内部集成了一个极低损耗的全波桥式整流器，这意味着你可以直接把TENG的交流输出接到芯片的PZ1和PZ2引脚上，省去了外部繁琐的整流电路设计。当TENG的电压超过20V时，芯片内部的保护分流器会自动把多余的能量泄放掉，保护后级电路不被烧毁。芯片的静态电流仅为450nA，非常适合TEN这种微安级别的能量源。

如果TENG开路电压在十几伏到几十伏，LTC3588是目前开箱即用体验极佳的选择。当TENG电压达到上百伏时，前端通常需要加一个降压变压器或电荷泵网络。在实际应用中，还可通过引脚来选择4种输出电压（1.8V、2.5V、3.3V和3.6V），连续输出电流高达100mA。

图3：基于LTC3588的纳瓦级能量收集电源（图源：Analog Devices）

TI解决方案件方案

外挂整流 + 顶级电源管理

Texas Instruments的能量收集生态极其完善，但其强项在于处理直流电，比如太阳能或温差发电。对于TENG，必须采用“外围电路 + 核心芯片”的组合拳。其中的核心芯片包括BQ25570和BQ25504。为什么选中这两款芯片呢？

首先是它们具有极致的冷启动能力。BQ25504在输入电压低至330mV时就能启动，一旦启动，即使输入降到130mV也能继续工作。这对于能量极微弱的TENG是极其友好的。
其次是动态极大功率点跟踪（MPPT）。这是Texas Instruments的绝活。虽然MPPT主要是为太阳能设计的，但通过巧妙配置电阻网络，可以让芯片动态适配TENG的高内阻，极大化提取能量。
再有就是高度集成。BQ25570内部直接集成了纳瓦级（Nano-Power）的降压转换器（Buck），这意味着它把能量存入电池后，还能直接输出稳定的1.8V或3.3V给传感器，单芯片搞定系统供电。

在实际应用中，上述芯片不能直接接入TENG，必须有专门的外围电路，即在使用TENG和BQ芯片之间手动搭建一个由超低漏电流二极管（如肖特基二极管或桥式整流芯片）组成的全波整流桥。TENG的交流电先变成脉动直流，再送给Texas Instruments的芯片进行升压和储能。

图4：BQ25570系统框图（图源：Texas Instruments）

本文小结

图5（图源：Freepik）

能量收集技术为传统电源提供了高效且经济高效的替代方案，而远程监控单元、基于物联网的传感器和可穿戴系统等低功耗电子设备的部署越来越多，则进一步加速了这一市场需求。

随着材料科学和转换技术的不断进步，包括热电、压电、电磁和光伏系统，使得能量转换效率得以大幅提高，其应用范围不断扩大。不断增加的研发投资正在支持创建紧凑、高效的设备，这些设备能够从环境源（如热、振动、光和射频信号）中捕获能量。这些发展为汽车系统、医疗保健设备和智能建筑基础设施带来了新的机遇。由于越来越多的电子设备变得越来越小，市场规模越来越大，因此对小型且不需要维护的能源的需求也在不断增长。

TENG通过日常运动产生电力并减少普通电池的使用，使便携式设备更具可持续性。GM Insights分析认为，2024年，全球TENG市场规模估计为1.6亿美元，预计到2034年将达到20.9亿美元，到2034年底将以29.5%的复合年增长率增长。自供电电子产品越来越受欢迎是TENG市场增长的主要原因。

从商业角度来看，尽管企业和研发人员正在研究和开发多种不同的纳米发电机，不可否认的是，使用TENG收集能量并将其大量商用目前仍处于起步阶段。目前，有一种趋势正在获得业界的广泛关注，即在一个系统中同时使用多种能量收集技术，将TENG与压电、热电和光伏技术相结合。这种融合可显著提高能源性能，支持在不同环境中的使用，并将开辟更多的应用场景，重塑能量收集市场格局。