工業(yè)能量收集的設計基礎

能量收集是一種用于從環(huán)境中收集能量，然后將其轉(zhuǎn)換為電源為負載供電或為電池充電的技術。這種轉(zhuǎn)換利用了多種能源，包括光、熱、射頻 (RF)和振動源。在本文中，我們將分析主要設計方面，重點關注一些主要來源，看看商業(yè)解決方案以將所獲得的概念付諸實踐。

光電、熱電、壓電和電動技術是眾所周知的，通常用于為無線傳感器網(wǎng)絡 (WSN) 傳感節(jié)點供電，這些節(jié)點將數(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，可能是機械本身提供“內(nèi)在”能源，例如熱量和振動，例如，利用電機與環(huán)境之間的溫差為位于電機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的位置，電源管理系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)千個周期，從而大大延長設備的使用壽命。

為什么要能量收集？

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

WSN 的傳感器節(jié)點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)點在更換電池時需要定期技術援助，隨著網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)量的增加，這在經(jīng)濟上可能會很昂貴。

一個能量收集系統(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。

整流器和超級電容器用作整流器和可選的能量管理存儲系統(tǒng)。

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

可選的儲能元件取決于應用的要求。

負載是系統(tǒng)對電源的阻抗。它可能有不同的能耗方式，使整個系統(tǒng)工作在低功耗模式。

圖 1：能量收集框圖

能源

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

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

圖 2：壓電效應的等效電路（來源：“用于無線電子設備的基于壓電振動的發(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完成。通過適當設計的熱電裝置 (TEG) 感應的熱流會產(chǎn)生電壓和電流。pn 結(jié)是 TEG 的基本組件，包括單個 p 型和 n 型熱電材料結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。新興的可穿戴電子設備（可穿戴設備）領域也提供了通過為具有體熱的設備供電來收集熱電能的潛力。兩個結(jié)之間產(chǎn)生的電動勢V 的大小取決于材料和溫度，通過以下線性關系作為塞貝克系數(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是熱電偶的長度，用T表示的是熱 ( h ) 和冷 ( c ) 區(qū)的溫度。

RF 信號是環(huán)境中幾乎總是可用的能源（Wi-Fi 網(wǎng)絡、移動網(wǎng)絡、電視信號），其收集需要足夠的功率密度水平才能有效。這是因為與其他類型的能源不同，RF 能量是有意產(chǎn)生和調(diào)節(jié)的。頻譜中的每個頻段都與確定允許傳輸?shù)纳漕l功率的標準相關聯(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，而預計未來會有更高的值（遵循使用新射頻頻段的趨勢）。

表 1：能源

項目

本文中介紹的項目旨在開發(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，可以為超低功耗設備供電，影響物聯(lián)網(wǎng)市場。完整的項目可以在 EE Times Europe 上閱讀。

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

對于 RF 采集，?我們將使用 P2110 IC 及其 RF 天線和前端。它在902-928 MHz頻段進行了微調(diào)。它也將在其他頻段上運行，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備自供電。這樣，一段時間后我們就不需要再充電了。該項目可以與超級電容器結(jié)合使用，以實現(xiàn)全面的超低功耗管理。

圖 3：項目框圖

集成電路和套件

圖 4 中所示的 LTC3588-1 集成電路提供了一個完整的能量存儲解決方案，針對高阻抗發(fā)生器（例如壓電換能器）進行了優(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設備傳輸?shù)侥軌蛱峁└哌_ 100 mA 負載的穩(wěn)壓輸出。它采用 3 × 3mm DFN 或 10 導體 MSE 封裝。

圖 4：LTC3588-1 的典型應用

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，同時將能量存儲在可充電元件中，并為系統(tǒng)提供兩個獨立的穩(wěn)壓電壓。E-peas 提供開發(fā)板來優(yōu)化設計。評估板 (79 × 46 mm) 包括 AEM20940 QFN28、其七個無源元件和一個以 60 mV 啟動的外部冷啟動電路。

Maxim Integrated 的 MAX17710 能量收集解決方案提供電源管理，以最大化、保護和控制存儲在微型能量電池 (MEC) 中的能量，例如 Infinite Power Solutions 的 THINERGY MEC（圖 5）。MAX17710 集成了一個輸入升壓穩(wěn)壓器和一個超低靜態(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。該板包含四個獨立的電路，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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