能量收集（也稱為能量收集或能量清除）允許電子設(shè)備在沒有傳統(tǒng)電源的地方運行，從而消除了對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，并概述了該過程的應(yīng)用。它還解釋了實施功能齊全的能量收集解決方案必須解決的設(shè)計挑戰(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，這對電子設(shè)計人員來說是一個直接的挑戰(zhàn)，因為有許多供電解決方案。然而，有時設(shè)備沒有直接電源，布線或更換電池是不切實際的。即使長壽命電池可用，最終也需要更換，這需要服務(wù)電話。

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

本文討論能量收集及其應(yīng)用。它解釋了該過程的工作原理以及設(shè)計人員為實現(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)換為電能并存儲在耐用的存儲單元中，例如電容器，超級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存儲設(shè)備和其他電路的電路。

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

遠程和便攜式應(yīng)用的能量收集

雖然能量收集可以被認為是“免費能源”，但能源成本并不是大多數(shù)解決方案的動力。使用現(xiàn)代能量收集是因為它消除了將昂貴的電源線連接到偏遠位置的需要或經(jīng)常更換昂貴的原電池的需要。簡單來說，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。它們消除了浪費的電池和長時間的電力線運行。它們使系統(tǒng)保持運行，而不會帶來不便、中斷性的服務(wù)呼叫。它們能夠在偏遠地區(qū)進行監(jiān)測和控制，特別是在敏感的生態(tài)環(huán)境中。

能量收集應(yīng)用側(cè)重于遠程站點、系統(tǒng)和移動設(shè)備的管理。典型用途是控制遠程傳感器、遠程無線傳感設(shè)備、用于建筑物出入的資產(chǎn)跟蹤和人員識別系統(tǒng)，以及增強遠程位置的安全性。具體的例子包括為管道、灌溉和其他包括管道但沒有電力的系統(tǒng)提供的遠程閥門;監(jiān)測石油和天然氣管道的安全和控制設(shè)備;電動自動抽水馬桶;附著在衣服或防護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，其中包含電路但沒有電源。能量收集也被證明可用于各種實時時鐘（RTC）/內(nèi)存?zhèn)浞輵?yīng)用以及資產(chǎn)跟蹤或識別。

能量收集的技術(shù)挑戰(zhàn)

能量收集解決方案對支持它們的電子設(shè)備提出了很高的要求?？紤]其中的一些設(shè)計挑戰(zhàn)。如果能量資源并不總是存在，則系統(tǒng)需要在電池、超級電容器或微能量電池中存儲能量。此外，由于能源來源不同，系統(tǒng)必須轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制該能量。電路和儲能單元都必須受到保護，免受過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，因為能源通常很小。

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

面向未來的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充電器和保護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、保護和控制微能電池（如無限功率方案THINERGY?微能電池（MEC））中存儲的能量（圖2）。超薄郵票大小的 MEC 非常靈活，可提供無與倫比的可充電性、循環(huán)壽命和電源性能。它們具有極低的自放電率，可延長數(shù)十年的保質(zhì)期。事實上，這兩種設(shè)備使能量收集變得實用。

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 的潛在破壞性過放電。這也允許MAX17710適應(yīng)各種負載，因為欠壓保護只有在外部電源將MEC的電壓升高到安全區(qū)域時才能恢復(fù)。

極端溫度是另一個問題。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)用負載的高脈沖電流。MAX17710集成了管理外部存儲電容的獨特功能，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)備在沒有傳統(tǒng)電源的地方運行，無需鋪設(shè)電線或頻繁訪問以更換電池。使用非常規(guī)電源，能量收集電路管理產(chǎn)生的功率并保護儲能設(shè)備。由于能量源并不總是存在，因此能量收集系統(tǒng)也需要存儲能量。

能量收集應(yīng)用有望迅速擴展。一些應(yīng)用正在開發(fā)中，將展示能源收集的實用性、高效性、成本效益和“清潔”能量收集。很明顯，每個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電路，如MAX17710。

審核編輯：郭婷