工業(yè)能量收集的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

能量收集是一種用于從環(huán)境中收集能量，然后將其轉(zhuǎn)換為電源為負(fù)載供電或?yàn)殡姵爻潆姷募夹g(shù)。這種轉(zhuǎn)換利用了多種能源，包括光、熱、射頻 (RF)和振動(dòng)源。在本文中，我們將分析主要設(shè)計(jì)方面，重點(diǎn)關(guān)注一些主要來源，看看商業(yè)解決方案以將所獲得的概念付諸實(shí)踐。

光電、熱電、壓電和電動(dòng)技術(shù)是眾所周知的，通常用于為無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 傳感節(jié)點(diǎn)供電，這些節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒朐撇⒎治龈鞣N傳感器的性能。能量收集技術(shù)可用于提高工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。

在工業(yè)環(huán)境中，可能是機(jī)械本身提供“內(nèi)在”能源，例如熱量和振動(dòng)，例如，利用電機(jī)與環(huán)境之間的溫差為位于電機(jī)附近的小型控制傳感器供電。通過利用能量收集，自主傳感器可以輕松放置在難以到達(dá)的位置，電源管理系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)千個(gè)周期，從而大大延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

為什么要能量收集？

下一代系統(tǒng)的能源問題將在應(yīng)用特別普遍的微電子技術(shù)（例如工業(yè) 4.0 和物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器）方面發(fā)揮關(guān)鍵作用?？紤]到傳感器設(shè)備的數(shù)量龐大，無法想象如此多的設(shè)備可以由電池供電，并存在與更換和充電相關(guān)的所有問題?；陔姵氐哪茉唇鉀Q方案結(jié)合利用環(huán)境資源的“自動(dòng)”充電過程，是滿足工業(yè)應(yīng)用要求的基本要求。

WSN 的傳感器節(jié)點(diǎn)可以由電池供電或具有自主供電結(jié)構(gòu)；在第一種情況下，節(jié)點(diǎn)在更換電池時(shí)需要定期技術(shù)援助，隨著網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加，這在經(jīng)濟(jì)上可能會(huì)很昂貴。

一個(gè)能量收集系統(tǒng)可以用圖1來描述。主要模塊描述如下：

能量轉(zhuǎn)換器將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為輸入的電能。

整流器和超級(jí)電容器用作整流器和可選的能量管理存儲(chǔ)系統(tǒng)。

電壓調(diào)節(jié)器是一種控制器系統(tǒng)，用于根據(jù)受電設(shè)備的要求調(diào)整電壓電平。

可選的儲(chǔ)能元件取決于應(yīng)用的要求。

負(fù)載是系統(tǒng)對(duì)電源的阻抗。它可能有不同的能耗方式，使整個(gè)系統(tǒng)工作在低功耗模式。

圖 1：能量收集框圖

能源

機(jī)械能以各種示例的形式存在于自然界中——例如，在振動(dòng)結(jié)構(gòu)或沿結(jié)構(gòu)流動(dòng)的流體中。哪里有質(zhì)量，哪里就有能量收集應(yīng)用的巨大潛力。用于能量收集的機(jī)械能的主要來源是振動(dòng)。任何系統(tǒng)，無論它是什么，都會(huì)受到振動(dòng)的影響，而振動(dòng)可以通過某種方式收獲以發(fā)電。簡(jiǎn)單的例子是身體運(yùn)動(dòng)，以及動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)或由建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)引起的其他振動(dòng)。

對(duì)于機(jī)械能量收集，換能器是壓電的、靜電的或電磁的。電磁轉(zhuǎn)換器中有一個(gè)永磁系統(tǒng)，其磁通與一個(gè)或多個(gè)繞組串聯(lián)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，由振動(dòng)引起的永磁體和繞組之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在繞組端部感應(yīng)出與磁通量隨時(shí)間的變化成正比的電壓。另一方面，靜電或電容轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)電容，其電樞分別與基座和地震質(zhì)量成為一體。假設(shè)電容在恒定充電條件下保持不變，由振動(dòng)引起的電樞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)在它們之間感應(yīng)出一個(gè)電壓，該電壓與電容隨時(shí)間的變化成正比。

圖 2：壓電效應(yīng)的等效電路（來源：“用于無線電子設(shè)備的基于壓電振動(dòng)的發(fā)生器”，Smart Materials and Structures 13 (2004) 1131–1142）

熱能轉(zhuǎn)化為電能可以通過塞貝克效應(yīng)完成。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)的熱電裝置 (TEG) 感應(yīng)的熱流會(huì)產(chǎn)生電壓和電流。pn 結(jié)是 TEG 的基本組件，包括單個(gè) p 型和 n 型熱電材料結(jié)構(gòu)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。新興的可穿戴電子設(shè)備（可穿戴設(shè)備）領(lǐng)域也提供了通過為具有體熱的設(shè)備供電來收集熱電能的潛力。兩個(gè)結(jié)之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)V 的大小取決于材料和溫度，通過以下線性關(guān)系作為塞貝克系數(shù)S的函數(shù)： Δ V =S Δ T。

相反，最大功率收集由以下等式給出：

其中A是材料的截面，ρ m是材料的電阻率，l是熱電偶的長(zhǎng)度，用T表示的是熱 ( h ) 和冷 ( c ) 區(qū)的溫度。

RF 信號(hào)是環(huán)境中幾乎總是可用的能源（Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、電視信號(hào)），其收集需要足夠的功率密度水平才能有效。這是因?yàn)榕c其他類型的能源不同，RF 能量是有意產(chǎn)生和調(diào)節(jié)的。頻譜中的每個(gè)頻段都與確定允許傳輸?shù)纳漕l功率的標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)聯(lián)。根據(jù)射頻源的位置，功率密度目前可以從 0.01 μW/cm 2到每平方厘米幾百微瓦不等，而預(yù)計(jì)未來會(huì)有更高的值（遵循使用新射頻頻段的趨勢(shì)）。

表 1：能源

項(xiàng)目

本文中介紹的項(xiàng)目旨在開發(fā)兩種類型的可再生能源，例如熱能和射頻。通過這兩種能源的集合，可以為超低功耗設(shè)備供電，影響物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。完整的項(xiàng)目可以在 EE Times Europe 上閱讀。

對(duì)于熱能收集，?我們將使用 BQ25570 IC，它可以從熱電發(fā)電機(jī)中提取微瓦到毫瓦。這也有一個(gè)電源管理系統(tǒng)，通過使用雙電路提升電壓，同時(shí)防止電池過度充電或爆炸。

對(duì)于 RF 采集，?我們將使用 P2110 IC 及其 RF 天線和前端。它在902-928 MHz頻段進(jìn)行了微調(diào)。它也將在其他頻段上運(yùn)行，但效率較低。該頻段的中心頻率為 2G，在我們周圍的生活世界的任何地方都可以使用，使我們能夠在地球的每個(gè)地方收集能量。

通過結(jié)合這兩種傳感器，我們可以使用這些能量為小工具或低功耗可穿戴設(shè)備自供電。這樣，一段時(shí)間后我們就不需要再充電了。該項(xiàng)目可以與超級(jí)電容器結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)全面的超低功耗管理。

圖 3：項(xiàng)目框圖

集成電路和套件

圖 4 中所示的 LTC3588-1 集成電路提供了一個(gè)完整的能量存儲(chǔ)解決方案，針對(duì)高阻抗發(fā)生器（例如壓電換能器）進(jìn)行了優(yōu)化。Analog Devices 電路具有低損耗全波整流器和高效率同步降壓轉(zhuǎn)換器，可將能量從輸入的存儲(chǔ)設(shè)備傳輸?shù)侥軌蛱峁└哌_(dá) 100 mA 負(fù)載的穩(wěn)壓輸出。它采用 3 × 3mm DFN 或 10 導(dǎo)體 MSE 封裝。

圖 4：LTC3588-1 的典型應(yīng)用

來自 e-peas 的 AEM20940 是一種集成能源管理子系統(tǒng)，它從 TEG 中提取直流電源，同時(shí)將能量存儲(chǔ)在可充電元件中，并為系統(tǒng)提供兩個(gè)獨(dú)立的穩(wěn)壓電壓。E-peas 提供開發(fā)板來優(yōu)化設(shè)計(jì)。評(píng)估板 (79 × 46 mm) 包括 AEM20940 QFN28、其七個(gè)無源元件和一個(gè)以 60 mV 啟動(dòng)的外部冷啟動(dòng)電路。

Maxim Integrated 的 MAX17710 能量收集解決方案提供電源管理，以最大化、保護(hù)和控制存儲(chǔ)在微型能量電池 (MEC) 中的能量，例如 Infinite Power Solutions 的 THINERGY MEC（圖 5）。MAX17710 集成了一個(gè)輸入升壓穩(wěn)壓器和一個(gè)超低靜態(tài)電流線性穩(wěn)壓器 (LDO)，具有 3.3 V、2.3 V 或 1.8 V 可選電壓，以防止可能損壞 MEC 過放電。

圖 5：典型電路采集應(yīng)用中的 MAX17710

DC2042A 是一款多功能能量收集演示板，能夠接受壓電、太陽能、4-mA 至 20-mA 回路、熱能能源或任何高阻抗交流或直流電源。該板包含四個(gè)獨(dú)立的電路，由以下 IC 組成：LTC3588-1（壓電能量收集電源）；LTC3108（超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器和電源管理器）；LTC3105（具有功率點(diǎn)控制和 LDO 穩(wěn)壓器的升壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）；LTC3459（10V 微功率同步升壓轉(zhuǎn)換器）；和 LTC2935-2/LTC2935-4（具有電源故障輸出可選閾值的超低功耗監(jiān)控器）。

圖 6：DC2042A 連接到 DC9003A-B 塵粒（頂視圖）

圖 7：DC2042A 連接到 DC9003A-B 塵粒（底視圖）

審核編輯 黃昊宇

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