能量收集的技术挑战

摘要:能量采集(也称为能量采集或能量采集)使得电子器件可以在没有传统电源的情况下工作,因此不需要电线或替换电池。本文介绍了几种可用于为电路供电的非传统能源,并概述了该过程的应用。它还解释了为实现功能齐全的能量采集解决方案必须解决的设计挑战。

介绍

现代电子系统解决了许多棘手的问题,他们常常看起来像魔术一样。尽管如此,这些系统都具有相同的基本限制:它们需要电源!大多数情况下,这对电子设计师来说是一个直接的挑战,因为有许多电力传输解决方案。然而,有时候一个设备没有直接的电源,电线的连接或更换电池是不切实际的。即使使用长寿命的电池,也最终需要更换,这需要维修电话。
进入能量收集。能量收集(也称为能量收集或能量清除)允许电子设备在没有传统电源的情况下运行。它消除了电线或更换电池的需要。
本文讨论能量收集及其应用。它解释了该过程如何工作,以及设计人员为实现全功能解决方案所必须面对的挑战。

什么是能量收集?

能量收集使用非常规能源来为电路供电。通常情况下,一个微小的能量源被转换成电力,并储存在一个耐用的存储单元,如电容器,超级电容器或微型能量电池(MEC),这是一种锂固态电池。该系统通常包括管理电力并保护存储设备和其他电路的电路。
能源(图1)包括由光伏电池捕获的光; 振动或压力,由压电元件捕获; 由热电发电机捕获的温差; 无线电能量(RF); 甚至是生物化学产生的能量,如从血糖中提取能量的细胞。
能量收集使用非常规来源为电路供电。
图1:能量收集使用非常规来源为电路供电。

能量收集远程和便携式应用

虽然能量收集可以被认为是“自由能源”,但能源成本并不是激发大多数解决方案的原因。使用现代能量收集是因为它消除了将昂贵的电力电缆运行到偏远地点的需要或者需要经常更换昂贵的原电池。简而言之,能量收集系统更方便,并且降低了许多应用的成本。
然而,他们的吸引力更多。能量收集系统也是ResourceSmart®设计。它们消除浪费的电池和长时间的电力线运行。他们保持系统运行没有不方便,破坏性的服务电话。它们能够在偏远地区,特别是在敏感的生态环境中进行监测和控制。
能量收集应用的重点是远程站点,系统和移动设备的管理。典型的用途是远程传感器的控制,远程无线传感设备,资产跟踪和建筑物访问的人员识别系统,以及增强远程位置的安全性。具体的例子包括为管道远程阀门,灌溉和其他包括水管但不通电的系统提供的能源; 监测石油和天然气管道的安全和控制设备; 电动自动冲洗马桶; 连接到服装或防护装备的可穿戴电子设备; 手术植入的电子装置,例如药物输送装置,监视器和起搏器; 和智能卡,其中包含电路,但没有电源。

能量收集的技术挑战

能量收集解决方案需要很多支持它们的电子设备。考虑一些这些设计挑战。如果能源不总是存在,那么系统需要将能量储存在电池,超级电容器或微能源单元中。而且,由于能源来源不同,系统必须转换,调节和控制能源。电路和能量存储单元必须全部被保护免受过度电压或功率尖峰的影响。由于能源通常很小,因此支持电子设备必须具有高度的功率效率。
采集能量的远程系统必须非常可靠。服务电话否定了遥控器的优点。最后,远程系统通常缺乏气候控制,或者会受到波动的环境/温度条件的影响。任何能量收集系统都必须在这些条件下完美地适应和运行。

能量收获的未来

Maxim MAX17710能量收集充电器和保护器是新一代电源管理IC,可“收获”来自各种管理不善的能量收集源的能量(图1)。该MAX17710提供能量收集和电源管理以最大化,保护和控制存储在microenergy细胞的能量,如无穷电源解决方案THINERGY®microenergy细胞(的MECs)(图2)。超薄,邮票大小的MEC是灵活的,提供无与伦比的可充电性,循环寿命和功率性能。他们有非常低的自我放电率,并使数十年的保质期。实际上,这两种设备使能量收集成为可能。
MAX17710显示在一个典型的应用电路中,从高压电荷源中采集。
图2:典型应用电路中所示的MAX17710,采用高压充电电源。
MAX17710集成了一个输入升压调节器,因此可以将电荷从800mV提升到最低。它不需要昂贵的外部元件来为MEC充电,能量从1μW到100mW。为了保护MEC,MAX17710处理高于MEC的输入源电压,并调节或分流过量功率。具有3.3V,2.3V或1.8V可选电压的超低静态电流低压差线性稳压器(LDO)可防止MEC潜在的过度损坏。这也允许MAX17710适应各种负载,因为仅当外部能源将MEC的电压升高到安全区域时,欠压保护才会恢复。
极端温度是另一个问题。在非常低的温度下,所有电池的特性阻抗都会增加,限制了对应用负载的高脉冲电流。MAX17710集成了独特的功能,可以管理外部存储电容,以提供高脉冲电流。

结论

能量收集解决方案允许电子设备在没有传统电源的情况下运行,并且不需要运行电线或经常访问以更换电池。采用非常规电源,能量采集电路管理所产生的电力并保护能量存储装置。由于能量源不总是存在,能量收集系统也需要存储能量。
能量收集应用正在迅速扩大。一些正在开发的应用将展示实用,高效,节约成本和“清洁”的能源采集方式。很显然,每个微型能源单元的新实现都需要像MAX17710那样的一些能量收集充电器和保护电路。

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