基于能量收集技術(shù)建立替代能源動(dòng)力系統(tǒng)

用于發(fā)電的替代能源系統(tǒng)是關(guān)鍵的產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目。作為產(chǎn)品運(yùn)營成本的直接組成部分，運(yùn)營能源的產(chǎn)生和獲取現(xiàn)在已成為設(shè)計(jì)周期的一部分。 Nanopower電子設(shè)備，用于電力創(chuàng)建/監(jiān)管的PZT接口以及PV都是用于基礎(chǔ)設(shè)施級(jí)和移動(dòng)設(shè)備的所有方法。這些能量收集選項(xiàng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用與系統(tǒng)的其他部分相關(guān)，現(xiàn)在是使用模型的關(guān)鍵部分。開發(fā)套件允許同時(shí)進(jìn)行能源和消費(fèi)產(chǎn)品的軟件開發(fā)。

低功耗系統(tǒng)

當(dāng)人們談?wù)摗胺请姵亍?a target="_blank">供電系統(tǒng)時(shí)，人們首先想到的是具有令人尊敬的八位數(shù)，四功能太陽能計(jì)算器（見圖1）。這些設(shè)備從高科技到商品化產(chǎn)品，功率優(yōu)化到低成本產(chǎn)品，現(xiàn)在可作為贈(zèng)品。關(guān)鍵是降低工作功率和峰值電流消耗。這些變化是通過設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)代移動(dòng)設(shè)備基于工藝細(xì)化和設(shè)計(jì)而降低功率。結(jié)果是，現(xiàn)在可以在由備用能量產(chǎn)生部件提供的功率預(yù)算內(nèi)操作更大的系統(tǒng)。

圖1：標(biāo)準(zhǔn)四功能太陽能計(jì)算器。

這些新系統(tǒng)需要在低電壓（3.3 V及以下）和低電流（亞mA范圍）下運(yùn)行。為了幫助管理這些設(shè)計(jì)，外部電源調(diào)節(jié)器和存儲(chǔ)元件用于在電路運(yùn)行時(shí)保持穩(wěn)定的功率。這些低功耗設(shè)計(jì)通過典型的“循環(huán)”峰值功率模式來識(shí)別，這些功能模式是在邏輯開關(guān)同步時(shí)鐘邊沿時(shí)或模擬信號(hào)鎖存到數(shù)字接口部分時(shí)產(chǎn)生的。這些低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能方面是它們隨附的軟件開發(fā)套件。它們?cè)试S構(gòu)建應(yīng)用程序和功能，在運(yùn)行時(shí)，將電子系統(tǒng)保持在設(shè)計(jì)所針對(duì)的低功耗外殼內(nèi)。這些系統(tǒng)有兩種形式：帶電源的交鑰匙開發(fā)系統(tǒng)，低功耗電子設(shè)備和軟件開發(fā)套件（SDK），以及作為獨(dú)立的低功耗產(chǎn)品和獨(dú)立發(fā)電組件，需要定制軟件限制才能使應(yīng)用程序正常工作。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)

太陽能發(fā)電是移動(dòng)電子產(chǎn)品中最著名的替代能源之一。功率單元非常直接地以串聯(lián)和并聯(lián)的方式連接，以產(chǎn)生支持系統(tǒng)的工作電壓和電流。主要問題是太陽能電池板的面積效率和透鏡設(shè)置。它們往往對(duì)產(chǎn)品的工業(yè)設(shè)計(jì)很大且具有侵入性。透鏡設(shè)置有助于確定室內(nèi)（熒光）與室外照明的有效效率。為了幫助設(shè)置，可以使用交鑰匙套件，例如德州儀器太陽能收集套件（Digi-Key部件＃EZ430-RF2500-SEH太陽能收集開發(fā)工具）。 TI太陽能收集套件包含太陽能電池，儲(chǔ)能組件和超低功耗MSP430 MCU。該系統(tǒng)還包括一個(gè)帶指示燈和USB接口的開發(fā)板，讓開發(fā)人員可以創(chuàng)建獨(dú)立的永久運(yùn)行的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該環(huán)境還包括功率優(yōu)化的CC2500 2.4 GHz無線收發(fā)器，旨在與太陽能電池配合使用。

圖2：TI太陽能收集套件 - 功能和組件。

圖2顯示了開發(fā)套件的功能和組件。圖3顯示了微控制器單元板上的結(jié)構(gòu)和連接及其與主太陽能集熱器單元的連接。開發(fā)套件是模塊化的，因此您可以將微控制器連接到電池進(jìn)行功能測(cè)試，USB端口用于調(diào)試和程序傳輸，太陽能收集器模塊與能量電池連接以實(shí)現(xiàn)實(shí)際操作。

圖3：TI太陽能收集套件 - 連接和開發(fā)選項(xiàng)。

其他開發(fā)套件，如Microchip Technology的XLP能量收集開發(fā)板，也有太陽能收集系統(tǒng)。該電路板設(shè)計(jì)采用Cymbet EnerChip可充電儲(chǔ)能電池。這些固態(tài)設(shè)備也可從Digi-Key獲得，是超級(jí)電容器和電池的替代品。它們能夠在100μA吸取時(shí)以50μAh的電流提供高達(dá)3.8 V的電壓。 Microchip評(píng)估板具有16位版本的PIC處理器。這些低功耗設(shè)計(jì)元件的工作頻率為35μA/MHz，而實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷等功能的工作電流低至470 nA。該器件再次具有板載存儲(chǔ)器，I/O和RF組件。它由軟件開發(fā)系統(tǒng)支持，允許您將應(yīng)用程序功能編程到16位處理器中;它可用于為許多應(yīng)用程序段創(chuàng)建原型。開發(fā)工具包如圖4所示。

圖4：Microchip太陽能開發(fā)套件。

這個(gè)和許多開發(fā)套件的關(guān)鍵部分是應(yīng)用軟件開發(fā)部分，例如Microchip/Cymbet Energy Conscious軟件程序。識(shí)別各種任務(wù)的功率預(yù)算，并且軟件允許設(shè)計(jì)者通過自身或組合來計(jì)劃何時(shí)以及哪些塊“開啟”，以及充電/放電狀態(tài)的能量收集狀態(tài)。由于大多數(shù)備用能量系統(tǒng)中的電源是瞬態(tài)的，并且在電子設(shè)備的使用期間不一定處于峰值水平，因此穩(wěn)定功率元件（超級(jí)電容器，能量電池等）的下降是高優(yōu)先級(jí)的。

除了開發(fā)套件外，Digi-Key還提供用于太陽能收集的單個(gè)組件。其中包括Clare，IXYS Corporation，Parallax，Inc。和Sanyo Energy的太陽能集熱器; TE Connectivity，Molex和Amphenol Industrial的連接器;美國國家半導(dǎo)體（現(xiàn)為TI）的熱管理，以及AVX公司，Cooper，Nichicon，Panasonic，Seiko Instruments，Inc。等公司的超級(jí)電容/超級(jí)電容/電池。正如開發(fā)套件示例的圖像所示，Cymbet Eval-08太陽能收集器等標(biāo)準(zhǔn)化模塊被多個(gè)供應(yīng)商使用，也可用作定制應(yīng)用的基礎(chǔ)。

能量收集系統(tǒng)

除了用于產(chǎn)生能量的太陽能之外，還有一些技術(shù)用于運(yùn)行傳感器和系統(tǒng)。更常見的方法之一是使用高阻抗源（如壓電傳感器（PZT））轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)和壓力。凌力爾特公司生產(chǎn)單芯片壓電能量采集電源LTC3588。 LTC3588-1集成了低損耗全波橋式整流器和高效率降壓轉(zhuǎn)換器，形成了針對(duì)高輸出阻抗能源（如PZT）優(yōu)化的完整能量收集解決方案。圖5顯示了如何使用LTC3588構(gòu)建PZT能量收集系統(tǒng)的示意圖。圖5：Linear Technologies PZT能量收集開發(fā)套件示意圖。

Volture等制造商提供了許多不同的PZT設(shè)備。這些裝置基于傳感器的方向和變形量產(chǎn)生電信號(hào)。 Volture的器件是雙器件，可以串聯(lián)或并聯(lián)連接，具體取決于所需的輸出電壓和/或輸出電流，以供給穩(wěn)壓器電路。 PZT傳感器的操作和連接如圖6所示.PZT設(shè)備的標(biāo)稱配置是將其作為并聯(lián)配置進(jìn)行連接。這樣可以在電流加倍時(shí)提供單個(gè)電壓電平輸出，并使容性負(fù)載加倍。大多數(shù)跟進(jìn)電路都面臨著在功率方程中沒有太多電流來滿足整個(gè)設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。新的系統(tǒng)電子設(shè)備已經(jīng)擴(kuò)展到較低的電壓水平，但尺寸和性能能力直接與可用的電流量成比例。

適用于基于PZT的能量收集的基于運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)包括工業(yè)健康監(jiān)測(cè)器，電機(jī)振動(dòng)，HVAC傳感器，移動(dòng)資產(chǎn)跟蹤，胎壓監(jiān)測(cè)，車輛監(jiān)控/交通監(jiān)控傳感器以及油氣傳感器。

圖6：Volture PZT雙傳感器。

電力存儲(chǔ)和分配

備用能源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括一個(gè)產(chǎn)生電信號(hào)的集電極元件（太陽能，PZT，風(fēng)等）。然后該信號(hào)進(jìn)入整流器/調(diào)節(jié)器以將波形轉(zhuǎn)換為DC信號(hào)。然后對(duì)得到的DC信號(hào)進(jìn)行濾波以消除噪聲并提供控制功能，并最終存儲(chǔ)在基于電壓的元件中。這些存儲(chǔ)元件包括簡單的電容器和電感器，電池，超級(jí)電容器和電池。然后將這些存儲(chǔ)容器的輸出連接到標(biāo)準(zhǔn)DC-DC轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器，以連接到系統(tǒng)電子器件。

這些元素是用于能量收集和非能量收集應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。該系列的主要成員是功率調(diào)節(jié)和控制組，其可以將存儲(chǔ)在“儲(chǔ)存器”元件中的能量分配并且在具有可變電流的固定電壓下分配。這些收獲系統(tǒng)中的大多數(shù)都面臨著在中央儲(chǔ)存庫中將所發(fā)現(xiàn)的能量合并在一起以創(chuàng)建單一源功率抽取的挑戰(zhàn)。這些調(diào)節(jié)元件構(gòu)成一類稱為電源管理IC（PMIC）的部件。它們包含DC-DC開關(guān)控制器和穩(wěn)壓器，低壓差（LDO），線性和開關(guān)器件以及大功率晶體管器件。 Digi-Key擁有超過40家支持發(fā)電空間的設(shè)備供應(yīng)商，最大輸出電流范圍為μA至8A。單芯片穩(wěn)壓器是一種獨(dú)立技術(shù)，具有通用元件 - 低引腳數(shù)（少于6個(gè)引腳） ）;支持散熱片的封裝;和高可靠性，因?yàn)樗鼈兪墙K端電路系統(tǒng)的恒定“開”部分。

包括高電流和高功率水平的大規(guī)模系統(tǒng)通常不使用單芯片集成穩(wěn)壓器和整流器系統(tǒng)。相反，他們使用分立或成對(duì)的功率器件來創(chuàng)建高壓橋。對(duì)于更大規(guī)模的太陽能系統(tǒng)，太陽能逆變器（DC-AC轉(zhuǎn)換）和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，功率分立晶體管的使用是常態(tài)。 Digi-Key承載功率器件，可處理100μA范圍至60 A范圍內(nèi)的電流和高達(dá)1200 V的電壓。這些器件可作為JFET，BJT和IGBT，來自許多供應(yīng)商（40多家），其中包括STMicroelectronics，IXYS Corporation ，ROHM半導(dǎo)體，安森美半導(dǎo)體，飛兆半導(dǎo)體和美國國家半導(dǎo)體（現(xiàn)為德州儀器）。