工业能量收集的设计基础

能量收集是一种用于从环境中收集能量，然后将其转换为电源为负载供电或为电池充电的技术。这种转换利用了多种能源，包括光、热、射频 (RF)和振动源。在本文中，我们将分析主要设计方面，重点关注一些主要来源，看看商业解决方案以将所获得的概念付诸实践。

光电、热电、压电和电动技术是众所周知的，通常用于为无线传感器网络 (WSN) 传感节点供电，这些节点将数据传输到中央云并分析各种传感器的性能。能量收集技术可用于提高工业系统的可靠性和可用性。

在工业环境中，可能是机械本身提供“内在”能源，例如热量和振动，例如，利用电机与环境之间的温差为位于电机附近的小型控制传感器供电。通过利用能量收集，自主传感器可以轻松放置在难以到达的位置，电源管理系统可以持续数千个周期，从而大大延长设备的使用寿命。

为什么要能量收集？

下一代系统的能源问题将在应用特别普遍的微电子技术（例如工业 4.0 和物联网中的传感器）方面发挥关键作用。考虑到传感器设备的数量庞大，无法想象如此多的设备可以由电池供电，并存在与更换和充电相关的所有问题。基于电池的能源解决方案结合利用环境资源的“自动”充电过程，是满足工业应用要求的基本要求。

WSN 的传感器节点可以由电池供电或具有自主供电结构；在第一种情况下，节点在更换电池时需要定期技术援助，随着网络中节点数量的增加，这在经济上可能会很昂贵。

一个能量收集系统可以用图1来描述。主要模块描述如下：

能量转换器将环境能量转换为输入的电能。

整流器和超级电容器用作整流器和可选的能量管理存储系统。

电压调节器是一种控制器系统，用于根据受电设备的要求调整电压电平。

可选的储能元件取决于应用的要求。

负载是系统对电源的阻抗。它可能有不同的能耗方式，使整个系统工作在低功耗模式。

图 1：能量收集框图

能源

机械能以各种示例的形式存在于自然界中——例如，在振动结构或沿结构流动的流体中。哪里有质量，哪里就有能量收集应用的巨大潜力。用于能量收集的机械能的主要来源是振动。任何系统，无论它是什么，都会受到振动的影响，而振动可以通过某种方式收获以发电。简单的例子是身体运动，以及动物的运动或由建筑结构运动引起的其他振动。

对于机械能量收集，换能器是压电的、静电的或电磁的。电磁转换器中有一个永磁系统，其磁通与一个或多个绕组串联。根据电磁感应定律，由振动引起的永磁体和绕组之间的相对运动在绕组端部感应出与磁通量随时间的变化成正比的电压。另一方面，静电或电容转换器包括一个电容，其电枢分别与基座和地震质量成为一体。假设电容在恒定充电条件下保持不变，由振动引起的电枢之间的相对运动会在它们之间感应出一个电压，该电压与电容随时间的变化成正比。

图 2：压电效应的等效电路（来源：“用于无线电子设备的基于压电振动的发生器”，Smart Materials and Structures 13 (2004) 1131–1142）

热能转化为电能可以通过塞贝克效应完成。通过适当设计的热电装置 (TEG) 感应的热流会产生电压和电流。pn 结是 TEG 的基本组件，包括单个 p 型和 n 型热电材料结构，每个结构都串联电连接。新兴的可穿戴电子设备（可穿戴设备）领域也提供了通过为具有体热的设备供电来收集热电能的潜力。两个结之间产生的电动势V 的大小取决于材料和温度，通过以下线性关系作为塞贝克系数S的函数： Δ V =S Δ T。

相反，最大功率收集由以下等式给出：

其中A是材料的截面，ρ m是材料的电阻率，l是热电偶的长度，用T表示的是热 ( h ) 和冷 ( c ) 区的温度。

RF 信号是环境中几乎总是可用的能源（Wi-Fi 网络、移动网络、电视信号），其收集需要足够的功率密度水平才能有效。这是因为与其他类型的能源不同，RF 能量是有意产生和调节的。频谱中的每个频段都与确定允许传输的射频功率的标准相关联。根据射频源的位置，功率密度目前可以从 0.01 µW/cm 2到每平方厘米几百微瓦不等，而预计未来会有更高的值（遵循使用新射频频段的趋势）。

表 1：能源

项目

本文中介绍的项目旨在开发两种类型的可再生能源，例如热能和射频。通过这两种能源的集合，可以为超低功耗设备供电，影响物联网市场。完整的项目可以在 EE Times Europe 上阅读。

对于热能收集， 我们将使用 BQ25570 IC，它可以从热电发电机中提取微瓦到毫瓦。这也有一个电源管理系统，通过使用双电路提升电压，同时防止电池过度充电或爆炸。

对于 RF 采集， 我们将使用 P2110 IC 及其 RF 天线和前端。它在902-928 MHz频段进行了微调。它也将在其他频段上运行，但效率较低。该频段的中心频率为 2G，在我们周围的生活世界的任何地方都可以使用，使我们能够在地球的每个地方收集能量。

通过结合这两种传感器，我们可以使用这些能量为小工具或低功耗可穿戴设备自供电。这样，一段时间后我们就不需要再充电了。该项目可以与超级电容器结合使用，以实现全面的超低功耗管理。

图 3：项目框图

集成电路和套件

图 4 中所示的 LTC3588-1 集成电路提供了一个完整的能量存储解决方案，针对高阻抗发生器（例如压电换能器）进行了优化。Analog Devices 电路具有低损耗全波整流器和高效率同步降压转换器，可将能量从输入的存储设备传输到能够提供高达 100 mA 负载的稳压输出。它采用 3 × 3mm DFN 或 10 导体 MSE 封装。

图 4：LTC3588-1 的典型应用

来自 e-peas 的 AEM20940 是一种集成能源管理子系统，它从 TEG 中提取直流电源，同时将能量存储在可充电元件中，并为系统提供两个独立的稳压电压。E-peas 提供开发板来优化设计。评估板 (79 × 46 mm) 包括 AEM20940 QFN28、其七个无源元件和一个以 60 mV 启动的外部冷启动电路。

Maxim Integrated 的 MAX17710 能量收集解决方案提供电源管理，以最大化、保护和控制存储在微型能量电池 (MEC) 中的能量，例如 Infinite Power Solutions 的 THINERGY MEC（图 5）。MAX17710 集成了一个输入升压稳压器和一个超低静态电流线性稳压器 (LDO)，具有 3.3 V、2.3 V 或 1.8 V 可选电压，以防止可能损坏 MEC 过放电。

图 5：典型电路采集应用中的 MAX17710

DC2042A 是一款多功能能量收集演示板，能够接受压电、太阳能、4-mA 至 20-mA 回路、热能能源或任何高阻抗交流或直流电源。该板包含四个独立的电路，由以下 IC 组成：LTC3588-1（压电能量收集电源）；LTC3108（超低电压升压转换器和电源管理器）；LTC3105（具有功率点控制和 LDO 稳压器的升压 DC/DC 转换器）；LTC3459（10V 微功率同步升压转换器）；和 LTC2935-2/LTC2935-4（具有电源故障输出可选阈值的超低功耗监控器）。

图 6：DC2042A 连接到 DC9003A-B 尘粒（顶视图）

图 7：DC2042A 连接到 DC9003A-B 尘粒（底视图）

审核编辑 黄昊宇