能量收集系統(tǒng)為無(wú)能為力者提供動(dòng)力

能量收集（也稱為能量收集或能量清除）允許電子設(shè)備在沒(méi)有傳統(tǒng)電源的地方運(yùn)行，從而消除了對(duì)電線或更換電池的需求。本文介紹了幾種可用于為電路供電的非常規(guī)能源，并概述了該過(guò)程的應(yīng)用。它還解釋了實(shí)施功能齊全的能量收集解決方案必須解決的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

介紹

現(xiàn)代電子系統(tǒng)解決了許多難題，以至于它們通常看起來(lái)像魔術(shù)。盡管如此，這些系統(tǒng)都有相同的基本限制：它們需要電源！大多數(shù)情況下，這對(duì)電子設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)直接的挑戰(zhàn)，因?yàn)橛性S多供電解決方案。然而，有時(shí)設(shè)備沒(méi)有直接電源，布線或更換電池是不切實(shí)際的。即使長(zhǎng)壽命電池可用，最終也需要更換，這需要服務(wù)電話。

進(jìn)入能量收集。能量收集（也稱為能量收集或能量清除）允許電子設(shè)備在沒(méi)有傳統(tǒng)電源的地方運(yùn)行。它消除了對(duì)電線或更換電池的需求。

本文討論能量收集及其應(yīng)用。它解釋了該過(guò)程的工作原理以及設(shè)計(jì)人員為實(shí)現(xiàn)功能齊全的解決方案而必須解決的挑戰(zhàn)。

什么是能量收集？

能量收集使用非常規(guī)能源為電路供電。通常，微小的能源被轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在耐用的存儲(chǔ)單元中，例如電容器，超級(jí)電容器或微能量電池（MEC），這是鋰固態(tài)電池的一種形式。該系統(tǒng)通常包括用于管理電源和保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)備和其他電路的電路。

能量來(lái)源包括由光伏電池捕獲的光;振動(dòng)或壓力，由壓電元件捕獲;溫差，由熱電發(fā)電機(jī)捕獲;無(wú)線電能量;甚至生化產(chǎn)生的能量，例如從血糖中提取能量的細(xì)胞。

遠(yuǎn)程和便攜式應(yīng)用的能量收集

雖然能量收集可以被認(rèn)為是“免費(fèi)能源”，但能源成本并不是大多數(shù)解決方案的動(dòng)力。使用現(xiàn)代能量收集是因?yàn)樗藢嘿F的電源線連接到偏遠(yuǎn)位置的需要或經(jīng)常更換昂貴的原電池的需要。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，能量收集系統(tǒng)更方便，并降低了許多應(yīng)用的成本。

然而，它們的吸引力還有更多。能量收集系統(tǒng)也是資源智能?設(shè)計(jì)。它們消除了浪費(fèi)的電池和長(zhǎng)時(shí)間的電力線運(yùn)行。它們使系統(tǒng)保持運(yùn)行，而不會(huì)帶來(lái)不便、中斷性的服務(wù)呼叫。它們能夠在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，特別是在敏感的生態(tài)環(huán)境中。

能量收集應(yīng)用側(cè)重于遠(yuǎn)程站點(diǎn)、系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備的管理。典型用途是控制遠(yuǎn)程傳感器、遠(yuǎn)程無(wú)線傳感設(shè)備、用于建筑物出入的資產(chǎn)跟蹤和人員識(shí)別系統(tǒng)，以及增強(qiáng)遠(yuǎn)程位置的安全性。具體的例子包括為管道、灌溉和其他包括管道但沒(méi)有電力的系統(tǒng)提供的遠(yuǎn)程閥門(mén);監(jiān)測(cè)石油和天然氣管道的安全和控制設(shè)備;電動(dòng)自動(dòng)抽水馬桶;附著在衣服或防護(hù)裝備上的可穿戴電子產(chǎn)品;手術(shù)植入的電子設(shè)備，如藥物輸送、監(jiān)視器和起搏器;和智能卡，其中包含電路但沒(méi)有電源。能量收集也被證明可用于各種實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）/內(nèi)存?zhèn)浞輵?yīng)用以及資產(chǎn)跟蹤或識(shí)別。

能量收集的技術(shù)挑戰(zhàn)

能量收集解決方案對(duì)支持它們的電子設(shè)備提出了很高的要求。考慮其中的一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。如果能量資源并不總是存在，則系統(tǒng)需要在電池、超級(jí)電容器或微能量電池中存儲(chǔ)能量。此外，由于能源來(lái)源不同，系統(tǒng)必須轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制該能量。電路和儲(chǔ)能單元都必須受到保護(hù)，免受過(guò)電壓或功率尖峰的影響。支持電子設(shè)備必須具有高功率效率，因?yàn)槟茉赐ǔ：苄　?/p>

由能量收集供電的遠(yuǎn)程系統(tǒng)必須非?？煽?。服務(wù)調(diào)用否定了遙控器的任何優(yōu)勢(shì)。最后，遠(yuǎn)程系統(tǒng)通常缺乏氣候控制或受到環(huán)境/溫度條件波動(dòng)的影響。任何能量收集系統(tǒng)都必須適應(yīng)這些條件并完美運(yùn)行。

面向未來(lái)的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充電器和保護(hù)器是新一代電源管理IC，可“收集”各種調(diào)節(jié)不良的能量收集源產(chǎn)生的能量（圖1）。MAX17710提供能量收集和電源管理功能，以最大化、保護(hù)和控制微能電池（如無(wú)限功率方案THINERGY?微能電池（MEC））中存儲(chǔ)的能量（圖2）。超薄郵票大小的 MEC 非常靈活，可提供無(wú)與倫比的可充電性、循環(huán)壽命和電源性能。它們具有極低的自放電率，可延長(zhǎng)數(shù)十年的保質(zhì)期。事實(shí)上，這兩種設(shè)備使能量收集變得實(shí)用。

圖2.MAX17710的典型應(yīng)用電路是從高壓電荷源收集的。

MAX17710集成了輸入升壓穩(wěn)壓器，因此可以在低至800mV的電壓范圍內(nèi)升壓。它不需要昂貴的外部元件即可為 MEC 充電，并收集 1μW 至 100mW 的能量。為了保護(hù)MEC，MAX17710處理高于MEC的輸入源電壓，并調(diào)節(jié)或分流多余的功率。具有 3.3V、2.3V 或 1.8V 可選電壓的超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器 （LDO） 可防止 MEC 的潛在破壞性過(guò)放電。這也允許MAX17710適應(yīng)各種負(fù)載，因?yàn)榍穳罕Ｗo(hù)只有在外部電源將MEC的電壓升高到安全區(qū)域時(shí)才能恢復(fù)。

極端溫度是另一個(gè)問(wèn)題。在非常低的溫度下，所有電池的特性阻抗都增加，這限制了應(yīng)用負(fù)載的高脈沖電流。MAX17710集成了管理外部存儲(chǔ)電容的獨(dú)特功能，以提供高脈沖電流。

結(jié)論

能量收集解決方案允許電子設(shè)備在沒(méi)有傳統(tǒng)電源的地方運(yùn)行，無(wú)需鋪設(shè)電線或頻繁訪問(wèn)以更換電池。使用非常規(guī)電源，能量收集電路管理產(chǎn)生的功率并保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備。由于能量源并不總是存在，因此能量收集系統(tǒng)也需要存儲(chǔ)能量。

能量收集應(yīng)用有望迅速擴(kuò)展。一些應(yīng)用正在開(kāi)發(fā)中，將展示能源收集的實(shí)用性、高效性、成本效益和“清潔”能量收集。很明顯，每個(gè)采用微能量電池的新方案都需要一些能量收集充電器和保護(hù)電路，如MAX17710。

審核編輯：郭婷