从18世纪工业革命以来，人们大量的依赖着煤炭、石油及天然气这些不可再生的能源，直到1973年爆发第一次石油危机后，能源危机的议题便无时不刻的存在；杜拜原油的平均价格从2000年Q1每桶26美金涨至2013年Q1每桶108美金，并且持续上扬。各国研究机关与学者相继提出绿色能源或再生能源技术，希望可以善加利用自然界的各种资源来克服能源危机。

近年来能源采集(Energy Harvesting; EH)电源管理相关研究议题也持续发酵，希望可以藉由室内光源、常温热温差、震动形变或是环境中存在无线讯号做为供应微系统使用的能源，希望取代传统电池做为永久能源。能源收集技术其中又以室内光源收集以及热温差发电所能产生的能量较大也最受欢迎，尤其以人类的体温与室温的温差来发电，未来将可做为消费性电子或生医感测器的永久能源。

热电效应与材料

热电效应在1834年由法国物理学家Jean Charles Athanase Peltier首先发现，当特殊的热电材料在接触到热端以及冷端时，自由电子的移动速度会有所不同，因此产生出电子位于冷热端面会有散布不均的情况，而可以产生出正负端的电位差。爱沙尼亚裔德国物理学家Thomas Johann Seebeck随后也有同样的发现，故又称帕尔帖-塞贝克效应(Peltier-Seebeck effect)。

热电偶是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来，热电模组(Thermoelectric generator module; TGM)是由热电偶所组合成的热电偶堆，当两侧存在温差时，便会产生电动势在回路中形成电流。图一为热电偶的操作图，由半导体的P型与N型材料所焊接而成，当接触冷热端面时即会产生正负压差。图二为块材式(Bulk)热电模组以及薄膜式(Thin-Film)热电模组实体照，薄膜式热电模组可以在相同的单位面积下制作更多的热电偶，拥有更好的发电及散热效率。

图一 : 图一、 热电偶操作图

图二 : 图二、 热电模块实体照

热电功率特性与转换

能源采集器(Energy harvester)都有最大功率点特性，TGM也不例外，图三及图四分别为TGM的温度特性与最大功率点特性，当温度上升一倍时，开回路电压(Open circuit voltage ; VOC)与短路电流(Short circuit current; ISC)都会增加一倍，由图四得知最大功率点会落于1/2的ISC与VOC，所以每增加一倍温差，功率则变为四倍。

以工研院电光所设计的128对热电偶， 面积为4公分见方的块材式TGM为例，温差0.5度约为25mV开路电压及5mA短路电流，最大功率为31.25μW，若温差1度约为50mV开路电压及10mA短路电流，最大功率则为125μW，以此类推温差2度功率即为500μW。

要设计热电能源转换器可参考图五TGM的电气特性模型，热电偶所产生的回路电流可视为ITGM，而材料本身的阻抗为RSH，即可利用此简单的等校模型进行热电转换器的电路设计。

图三 : 图三、TGM温度特性

图四 : 图四、 TGM最大功率点特性

图五 : 图五、 TGM等校电路

挑战低耗电电路设计

近临界电压(Near-Threshold Voltage; NTV)是以略低于电晶体MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的临界电压(Threshold voltage; Vth)进行操作，由于闸极(Gate)电压并未使MOSFET通道完全形成，所以可藉由微小的电流进行电路操作，降低电路的操作功耗。图六为Intel在2011年IDF (Intel Developer Forum)成功设计NTV处理器并发表于ISSCC’2012杰出国际研讨会。

图六 : 图六、Intel之NTV处理器

图七为能源效率与操作功耗对电压之比较，除了NTV电路操作区域外，若使闸极电压更进一步降低至临界电压100mV以上，可让MOSFET进入次临界电压(Sub-Threshold Voltage; STV)区域，可比NTV区域降低操作功耗两倍以上，由于闸极电压越靠近零电压操作区域，会受到PVT(Process, Voltage, Temperature; PVT)变异影响越来越严重，所以在STV电路设计将比NTV电路设计更为挑战。

由于TGM产生的能源非常低，且EH电源管理并非纯数位处理器，所以为了更低操作功耗应该考虑更省电的STV操作而非最佳的能源效率(功耗/速度)的NTV区域。

图七 : 图七、能源效率与操作功耗对电压之比较

后端电压感测技术

挑战常温热温差发电

由于TGM是靠热温差来产生能源，而1度温差仅有50mV电压，所以须采用升压转换器(Boost converter)才有办法将能源输出给后端系统使用，因为TGM的能源有最大功率点的特性，所以需要设计最大功率点追踪(Maximum power point tracking; MPPT)才能取得最大能源。实际在室温26oC下测试，人体体表皮肤温度约略为30oC至32oC，TGM加机构散热温差仅为0.5oC至2oC，故在常温下的最大输出电压仅为100mV开路电压，是非常具有挑战性的操作环境。

图八为一般常见的MPPT控制电路，由数位类比转换器(Analog-to-Digital Converter; ADC)感测电阻两端电压，并利用两端电压差计算出电流值，将TGM输入电压与电流透过乘法器相乘即得到功率，最后透过MPPT演算法及数位脉波宽度调变器(Digital Pulse Width Modulator; DPWM)输出责任比(Duty cycle)控制Boost转换器进行升压。又TGM的能源有电压低电流大的特性，由于电流大，使用感测电阻会严重影响能源转换效率，并且电压低难以感测电压值，尤其ADC与乘法器电路架构庞大，难以做到低耗电，导致一般常见MPPT架构难以实现常温热温差发电。

图八 : 图八、一般常见MPPT控制电路

工研院有鉴于一般常见MPPT控制电路无法实现常温热温差发电，从2010年底开始投入EH电源管理的研究，图九前后端感测差异比较图，可将TGM在1/2的VOC下有最大功率点特性经由转换器能量守恒特性会使PIN与POUT相等，让VOUT与POUT可​​呈现正比关系，这样就不需使用乘法器将电流与电压相乘取得功率资讯，进一步我们更简化只需要侦测VOUT大小即等同POUT大小。

图九 : 图九、前后端感测差异比较

虽然透过转换器可将功率​​讯号降阶为电压讯号做MPPT的运算，却也让VOUT电压差异远小于VIN的电压；图十为工研院进一步在2011年提出适用于EH电源管理架构，利用电压趋势侦测器(Voltage Trend Detector; VTD)，利用一电容器以微小电流充电固定时间进行取样，透过两个不同时间的取样进行比较，即可得到输出电压趋势(等同于功率趋势)。

透过趋势处理器只比较输出电压增减运算，经由电荷帮浦(Charge Pump; CP)控制Duty大小，最后由比较器及锯齿波产生器产生PWM讯号给Boost转换器进行升压，解决了能源路径上感测电阻消耗能量的问题外，更去除了复杂耗电的ADC与乘法器电路，更将复杂的功率资讯简化成输出电压的增减来运算MPPT方法，实现极低耗电的EH电源管理晶片，并发表论文于ESSCIRC'2012杰出国际研讨会。

图十 : 图十、 EH电源管理之MPPT控制电路

图十一为EH电源管理晶片之裸晶图，晶片面积仅为0.5mm2，MPPT控制器消耗电流仅为390nA，可达99.6%最大功率点追踪效率、57%能源转换效率及最小输入电压1mV之规格。图十二为常温热电转换系统展示，此展示透过TGM使用常温与人体体温的热温差进行能源供给，经由我们设计的EH电源管理晶片可点亮2.5V的蓝光发光二极体(Light-Emitting Diode ; LED)。

图十一 : 图十一、常温热温差发电芯片裸晶照

图十二 : 图十二、常温热电转换系统展示

结论

随着热电材料技术日渐成熟，穿戴式的微电子系统使用TGM做为永久能源，取代笨重且昂贵的电池即将在几年内出现。除了常温发电技术外，更可设计于汽车引擎废热回收系统，提升燃油效率；中钢锅炉的废热回收，降低锻钢所需的能源成本…等广泛用途，未来热温差发电将无所不在。 （本文作者为工研院资通所工程师－黄昭仁）