電路保護(hù)與能量存儲(chǔ)

電路保護(hù)與能量存儲(chǔ)

一般而言，電路保護(hù)通常涉及確保過(guò)多的能源不會(huì)損壞或阻礙電路的運(yùn)行。但是，隨著低能耗解決方案變得越來(lái)越流行，是否可以將這種額外的能源重新用于其他用途?

低能耗解決方案

隨著技術(shù)影響力的不斷提高以及電子產(chǎn)品成本的下降，不足為奇的是，到本十年末，我們可以很好地看到某個(gè)電路正在處理生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起見(jiàn)證了無(wú)數(shù)的感官數(shù)據(jù)的收集，而晶體管尺寸的減小則見(jiàn)證了在硅片上制造的功率驚人的處理器，其大小不超過(guò)一粒米。

確實(shí)，這種技術(shù)的豐富性使設(shè)計(jì)人員希望突破電子設(shè)備可操作的范圍，這導(dǎo)致電子設(shè)備在惡劣的偏遠(yuǎn)環(huán)境(如海洋，沙漠和太空)中得以實(shí)現(xiàn)。在此類(lèi)環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須了解，電路不僅必須能夠在這些環(huán)境中運(yùn)行(例如化學(xué)損傷，熱和輻射)，而且還需要電源。

電源的變化很大，每種電源都有其自身的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，包括可靠性，存儲(chǔ)能力和實(shí)用性。通過(guò)使用睡眠周期減少功耗，可以最大程度地減少對(duì)電源的依賴(lài)，但是即使如此，仍然需要電源。

一種看似有希望的技術(shù)是能量收集。該解決方案使電路吸收周?chē)h(huán)境中的能量，存儲(chǔ)該能量，然后將其轉(zhuǎn)換為更有用的格式。這些來(lái)源包括太陽(yáng)，風(fēng)和振動(dòng)。但是，這里是否有一種替代能源實(shí)際上被忽視了?

電路保護(hù)目的

如前所述，電路保護(hù)的基本目的是將有害能源從容易損壞的敏感電路中轉(zhuǎn)移出去。這種轉(zhuǎn)移可通過(guò)多種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括防止電壓超過(guò)電路閾值的鉗位二極管或防止大量電流流過(guò)電路的PTC可復(fù)位保險(xiǎn)絲。

大多數(shù)現(xiàn)代電路保護(hù)技術(shù)都涉及轉(zhuǎn)移或消散多余的能量，無(wú)論它來(lái)自靜態(tài)來(lái)源(例如人)還是來(lái)自意外的電涌(例如來(lái)自配電網(wǎng)絡(luò)的電涌)。如果電路保護(hù)的目的是防止有害能量損壞組件，那么該能量是否可以存儲(chǔ)而不是消散?如何在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)?這樣的系統(tǒng)將使哪些應(yīng)用受益?

能量收集和電路保護(hù)

典型的能量收集技術(shù)涉及直接連接到其能量源的能量存儲(chǔ)元件(例如電容器)，并且它們之間的電路最少。例如，太陽(yáng)能電池可以連接至電容器，該電容器又連接至DC/ DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電容器兩端的電壓達(dá)到特定閾值時(shí)，DC/ DC轉(zhuǎn)換器可以使電壓升高，然后為主電路供電。從簡(jiǎn)單的信標(biāo)到物聯(lián)網(wǎng)傳感器，一切都可以。

但是，從有害來(lái)源轉(zhuǎn)換能量可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，因?yàn)楸仨殢哪茉绰窂睫D(zhuǎn)移能量來(lái)源，而不是從專(zhuān)用的電力路徑轉(zhuǎn)移能量。為了更好地理解這個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題，讓我們看一下兩種不同的情況;ESD源和電感性元件。

ESD源

靜電放電源通常是很短時(shí)間內(nèi)的高壓。日常ESD來(lái)源的常見(jiàn)示例包括層壓地板上的購(gòu)物車(chē)和摩擦皮膚的衣服。在這兩個(gè)示例中，產(chǎn)生的電壓可能高達(dá)10KV，它們可能導(dǎo)致人跳下來(lái)。

由于靜電沖擊的長(zhǎng)度通常在毫秒范圍內(nèi)，因此傳遞的總能量非常小，這就是為什么這些源對(duì)人體無(wú)害的原因。而且，許多電路現(xiàn)在都基于CMOS技術(shù)，其中包括難以置信的薄柵極。這些柵極極易受到電介質(zhì)擊穿的影響，這就是為什么靜電沖擊很容易損壞它們的原因(因此需要防靜電包裝等)。保護(hù)免受此類(lèi)干擾的方法通常包括使用齊納二極管，其鉗位電壓超過(guò)規(guī)定范圍(例如5V邏輯電路為5.1V)。

從ESD源轉(zhuǎn)移能量將很困難，因?yàn)殡娐繁仨毮軌蛞宰钚〉墓β士焖僮龀鲰憫?yīng)。因此，這種方法將需要依賴(lài)于模擬電路(即，沒(méi)有有源微控制器或數(shù)字邏輯)，其中一種可能的布置是使用雷卯電子晶閘管TSS。高于所需電平(例如5.1V)的電壓可能會(huì)導(dǎo)致二極管配置將主電路與ESD電源電隔離，然后電連接功率存儲(chǔ)元件(例如超級(jí)電容器)?？梢詫?shí)現(xiàn)此目的的組件將是基于PN結(jié)的組件，例如二極管，SCR和晶閘管。

該電路設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)將是確保電路在將能量轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)元件的同時(shí)，將其與ESD源電隔離，而不是通過(guò)二極管將其散發(fā)為熱量。這種用于能量收集的方法在可穿戴應(yīng)用中將非常有益，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而機(jī)械能也會(huì)產(chǎn)生靜電。ESD能量存儲(chǔ)在很少使用的遠(yuǎn)程環(huán)境(例如監(jiān)控站)中不可行。

感應(yīng)源

由于電路反電勢(shì)的存在，在電路保護(hù)方面，電感元件對(duì)于電路設(shè)計(jì)人員而言可能是個(gè)大問(wèn)題。電感器實(shí)質(zhì)上是電磁體的一種形式，其中當(dāng)電流流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。如果通過(guò)電感器的電流保持恒定，則產(chǎn)生的磁場(chǎng)也將恒定。另一方面，如果電流變化，則磁場(chǎng)的合成強(qiáng)度也會(huì)變化。如果您愿意，這種變化的磁場(chǎng)會(huì)在電感器中感應(yīng)出一個(gè)電壓，該電壓的極性與變化的電流相反。這種抗變化能力在濾波器電路中很有用，從而可以阻止電流的突然變化(例如電涌)，從而防止損壞路徑上的電路。不過(guò)，值得注意的是電感可能是電路損壞的潛在來(lái)源，尤其是在涉及開(kāi)關(guān)電路的情況下。繼電器線圈是一個(gè)常見(jiàn)的例子，其中反電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞電路，否則可通過(guò)反極性二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。由于唯一的電壓源是電源，因此打開(kāi)繼電器線圈不會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時(shí))。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，坍塌的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，通常以數(shù)百伏為單位進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用反激二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該反激二極管實(shí)質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入敏感的開(kāi)關(guān)電路，例如晶體管。繼電器線圈是一個(gè)常見(jiàn)的例子，其中反電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞電路，否則可通過(guò)反極性二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。由于唯一的電壓源是電源，因此打開(kāi)繼電器線圈不會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時(shí))。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，坍塌的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，通常以數(shù)百伏為單位進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用反激二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該反激二極管實(shí)質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入敏感的開(kāi)關(guān)電路，例如晶體管。繼電器線圈是一個(gè)常見(jiàn)的例子，其中反電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞電路，否則可通過(guò)反極性二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。由于唯一的電壓源是電源，因此打開(kāi)繼電器線圈不會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時(shí))。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，坍塌的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，通常以數(shù)百伏為單位進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用反激二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該反激二極管實(shí)質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入敏感的開(kāi)關(guān)電路，例如晶體管。由于唯一的電壓源是電源，因此打開(kāi)繼電器線圈不會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時(shí))。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，坍塌的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，通常以數(shù)百伏為單位進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用反激二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該反激二極管實(shí)質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入敏感的開(kāi)關(guān)電路，例如晶體管。由于唯一的電壓源是電源，因此打開(kāi)繼電器線圈不會(huì)導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時(shí))。當(dāng)繼電器線圈斷電時(shí)，坍塌的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生非常大的反電動(dòng)勢(shì)，通常以數(shù)百伏為單位進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)使用反激二極管解決了這個(gè)問(wèn)題，該反激二極管實(shí)質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動(dòng)勢(shì)進(jìn)入敏感的開(kāi)關(guān)電路，例如晶體管。

可以將來(lái)自電感器的反電動(dòng)勢(shì)存儲(chǔ)到能量收集電路中，但這樣做與存儲(chǔ)ESD能量具有類(lèi)似的挑戰(zhàn)。短暫的能量脈沖將必須由不依賴(lài)于外部電源或處理系統(tǒng)的電路來(lái)處理。這可以通過(guò)齊納二極管裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，該齊納二極管裝置在被激活時(shí)將敏感控制電路與電感器電隔離。然后，電容器組將能夠存儲(chǔ)反電動(dòng)勢(shì)和以后重新利用的能量。這種在同時(shí)保護(hù)電路的同時(shí)進(jìn)行能量收集的方法可以在諸如門(mén)鎖之類(lèi)的低功率家庭自動(dòng)化設(shè)備中實(shí)施，這是控制螺線管所必需的，但僅短暫使用。

結(jié)論

在最長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，電子產(chǎn)品已內(nèi)置在具有某種可靠電源(無(wú)論是電池還是電源)的產(chǎn)品中。隨著將電子設(shè)備安裝到各種位置的需求以及對(duì)更節(jié)能系統(tǒng)的需求，能量收集已成為該行業(yè)越來(lái)越受歡迎的領(lǐng)域。

隨著電子設(shè)備的能源需求不斷減少，來(lái)自小來(lái)源(如ESD和感應(yīng)電壓)的可用能量也隨之增加。下一代智能健康傳感器是否將采用ESD供電?電池的鎖是否可以使用多年?電路保護(hù)會(huì)進(jìn)入能量存儲(chǔ)嗎?時(shí)間會(huì)證明一切。

雷卯電子積累了各行業(yè)應(yīng)用的電路保護(hù)方案。