美信應(yīng)用筆記:能量收集系統(tǒng)實現(xiàn)“無能耗供電”

摘要：能量收集（也稱為功率收集或能量提?。┰试S電子裝置在沒有常規(guī)電源的場合正常工作，無需鋪設(shè)電線或更換電池。本文介紹了幾種非常規(guī)能源供電系統(tǒng)，并簡要介紹其應(yīng)用范圍。文章還討論了實現(xiàn)能量收集必須解決的設(shè)計挑戰(zhàn)。

引言

現(xiàn)代化電子系統(tǒng)解決了非常多的難題，經(jīng)常被人們看作無所不能。實際上，任何系統(tǒng)都具有一些基本限制，例如：需要電源！多數(shù)情況下，對電子設(shè)計者來說供電是一項非常簡單的任務(wù)，因為他們具有各種各樣的供電方案。但有時候裝置既不能獲得直接電源，拉線或更換電池也不切實際。即使使用長壽命電池，最終也需要更換電池，進行現(xiàn)場維護。

能量收集。能量收集（也稱為功率收集或能量提取）允許電子裝置在無法獲得常規(guī)電源的場合正常工作，無需拉線或更換電池。

本文討論能量收集及其應(yīng)用。文章介紹了工作原理及設(shè)計者在方案實施中所面臨的難題。

什么是能量收集？

能量收集是把非常規(guī)能源用于電路供電。典型情況下，微小的能量被轉(zhuǎn)換成電能并儲存在耐用的儲能單元，例如電容、超級電容或微能量電池（MEC），這是一種鋰固態(tài)電池。系統(tǒng)通常包括：功率管理、儲能裝置保護等電路。

能源包括：光（由光伏電池捕獲）、振動或壓力（由壓電元件捕獲）、溫差（由熱電發(fā)生器捕獲）、無線電能量（射頻） （圖1），甚至生化產(chǎn)生的能量，例如從血糖提取能量的細(xì)胞。

圖1. 能量收集將非常規(guī)能源用于電路供電。

用于遙控和便攜式應(yīng)用的能量收集

盡管能量收集所利用的是“免費能源”，但能源費用并不是促進大多數(shù)應(yīng)用的誘因。之所以采用現(xiàn)代化能量收集是因為可以避免在無法觸及的區(qū)域鋪設(shè)電線，或者頻繁更換電池。簡而言之，能量收集系統(tǒng)使用更方便，能夠降低眾多應(yīng)用的成本。

能量收集的魅力不止于此，它也是ResourceSmart?設(shè)計，避免廢棄電池、電力線對環(huán)境的影響；避免了繁瑣的現(xiàn)場維護；允許在不可觸及的區(qū)域（特別是敏感的生態(tài)環(huán)境）實現(xiàn)監(jiān)測。

能量收集的應(yīng)用主要集中在遠端站點及移動裝置的管理。典型應(yīng)用包括：遠端傳感器控制、遠端無線檢測裝置、資產(chǎn)跟蹤和門禁識別系統(tǒng)，以及需要增強安全監(jiān)控的偏僻區(qū)域，典型應(yīng)用包括：管道、灌溉及其它具有無法獲取電源的系統(tǒng)；監(jiān)測石油和天然氣管道的安全和控制設(shè)備；電動抽水馬桶；衣服和防護裝置的電子設(shè)備；外科植入電子部件，如：給藥、監(jiān)護儀和起搏器；智能卡（含有電路但無電源）等等。能量收集對各種實時時鐘（RTC）/存儲器備份應(yīng)用和資產(chǎn)跟蹤或識別也非常有用。

能量收集面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

能量收集方案需要電子電路的支持。考慮到以下設(shè)計挑戰(zhàn)，如果系統(tǒng)不具備常規(guī)的供電條件，則需要將能量儲存在電池、超級電容或微能量電池中。此外，由于能源的多樣性，系統(tǒng)必須對其進行轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和控制。另外，還需要適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/保護電路/" target="_blank">保護電路和儲能單元，避免受過高壓或功率尖峰的影響。由于能源提供的能量通常非常微弱，電子設(shè)備必須具有很高的工作效率。

由能量收集供電的遠端設(shè)備必須非?？煽?，因為即使進行一次現(xiàn)場維護也將完全毀滅遠端控制的優(yōu)勢。最后，遠端系統(tǒng)往往工作在惡劣環(huán)境，容易受環(huán)境/溫度條件波動的影響。任何能量收集系統(tǒng)必須能夠勝任這樣的條件并正常工作。

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，用于“收集”各種能源產(chǎn)生的能量（圖1）。MAX17710提供能量收集和電源管理，有效保護、管理儲存在微能量電池中的能量，例如Infinite Power Solutions的THINERGY?微能量電池（MEC） （圖2）。尺寸只有郵票大小的超薄MEC使用非常靈活，具有優(yōu)異的充電效率、重復(fù)使用壽命和功效。MEC具有極低的自放電率，能夠存放數(shù)十年。實際上，正是這兩種器件的結(jié)合使得能量收集變?yōu)楝F(xiàn)實。

圖2. 典型應(yīng)用電路中的MAX17710，從高壓能源收集能量。

MAX17710集成升壓穩(wěn)壓器，能夠從低至800mV的電壓進行升壓充電。只要配合低廉的外部元件，即可對MEC進行充電，并收集1μW至100mW的能量。為了保護MEC，MAX17710能夠處理高于MEC電壓的輸入，對其進行穩(wěn)壓或分流過大功率。超低靜態(tài)電流、低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）提供可選的輸出電壓：3.3V、2.3V或1.8V，防止?jié)撛诘腗EC過放電。這也允許MAX17710適應(yīng)各種負(fù)載，因為只有外部能源將MEC電壓升至安全范圍后，才解除欠壓保護狀態(tài)。

另一項考慮是極端溫度。極低溫度下，任何電池的特性阻抗都會增大，限制能夠提供的負(fù)載電流。MAX17710集成了一項特有功能，通過管理外部儲存電容提供較高的脈沖電流。

結(jié)論

能量收集允許電子裝置工作在沒有常規(guī)電源的區(qū)域，無需拉線或頻繁更換電池。利用非常規(guī)電源，能量收集電路管理所產(chǎn)生的功率并保護儲能裝置。由于并不總是存在能源，能量收集系統(tǒng)也需要儲存能量。

能量收集應(yīng)用正在成為快速增長的市場，正在開發(fā)的一些產(chǎn)品也以成本低廉和“清潔”能源的利用顯示了能量收集的實用性、有效性。顯而易見，每套微能量電池方案都需要一定的能量收集充電器和保護電路，例如MAX17710。