应用笔记 5259

能量收集系统实现“无能耗供电”


摘要 : 能量收集(也称为功率收集或能量提取)允许电子装置在没有常规电源的场合正常工作,无需铺设电线或更换电池。本文介绍了几种非常规能源供电系统,并简要介绍其应用范围。文章还讨论了实现能量收集必须解决的设计挑战。

类似文章于2012年1月发表在《Bodo's Power Systems》。

引言

现代化电子系统解决了非常多的难题,经常被人们看作无所不能。实际上,任何系统都具有一些基本限制,例如:需要电源!多数情况下,对电子设计者来说供电是一项非常简单的任务,因为他们具有各种各样的供电方案。但有时候装置既不能获得直接电源,拉线或更换电池也不切实际。即使使用长寿命电池,最终也需要更换电池,进行现场维护。
能量收集。能量收集(也称为功率收集或能量提取)允许电子装置在无法获得常规电源的场合正常工作,无需拉线或更换电池。
本文讨论能量收集及其应用。文章介绍了工作原理及设计者在方案实施中所面临的难题。

什么是能量收集?

能量收集是把非常规能源用于电路供电。典型情况下,微小的能量被转换成电能并储存在耐用的储能单元,例如电容、超级电容或微能量电池(MEC),这是一种锂固态电池。系统通常包括:功率管理、储能装置保护等电路。
能源包括:光(由光伏电池捕获)、振动或压力(由压电元件捕获)、温差(由热电发生器捕获)、无线电能量(射频) (图1),甚至生化产生的能量,例如从血糖提取能量的细胞。
图1. 能量收集将非常规能源用于电路供电
图1. 能量收集将非常规能源用于电路供电。

用于遥控和便携式应用的能量收集

尽管能量收集所利用的是“免费能源”,但能源费用并不是促进大多数应用的诱因。之所以采用现代化能量收集是因为可以避免在无法触及的区域铺设电线,或者频繁更换电池。简而言之,能量收集系统使用更方便,能够降低众多应用的成本。
能量收集的魅力不止于此,它也是ResourceSmart®设计,避免废弃电池、电力线对环境的影响;避免了繁琐的现场维护;允许在不可触及的区域(特别是敏感的生态环境)实现监测。
能量收集的应用主要集中在远端站点及移动装置的管理。典型应用包括:远端传感器控制、远端无线检测装置、资产跟踪和门禁识别系统,以及需要增强安全监控的偏僻区域,典型应用包括:管道、灌溉及其它具有无法获取电源的系统;监测石油和天然气管道的安全和控制设备;电动抽水马桶;衣服和防护装置的电子设备;外科植入电子部件,如:给药、监护仪和起搏器;智能卡(含有电路但无电源)等等。能量收集对各种实时时钟(RTC)/存储器备份应用和资产跟踪或识别也非常有用。

能量收集面临的技术挑战

能量收集方案需要电子电路的支持。考虑到以下设计挑战,如果系统不具备常规的供电条件,则需要将能量储存在电池、超级电容或微能量电池中。此外,由于能源的多样性,系统必须对其进行转换、调节和控制。另外,还需要适当的保护电路和储能单元,避免受过高压或功率尖峰的影响。由于能源提供的能量通常非常微弱,电子设备必须具有很高的工作效率。
由能量收集供电的远端设备必须非常可靠,因为即使进行一次现场维护也将完全毁灭远端控制的优势。最后,远端系统往往工作在恶劣环境,容易受环境/温度条件波动的影响。任何能量收集系统必须能够胜任这样的条件并正常工作。

未来的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充电器和保护器是新一代电源管理IC,用于“收集”各种能源产生的能量(图1)。MAX17710提供能量收集和电源管理,有效保护、管理储存在微能量电池中的能量,例如Infinite Power Solutions的THINERGY®微能量电池(MEC) (图2)。尺寸只有邮票大小的超薄MEC使用非常灵活,具有优异的充电效率、重复使用寿命和功效。MEC具有极低的自放电率,能够存放数十年。实际上,正是这两种器件的结合使得能量收集变为现实。
图2. 典型应用电路中的MAX17710,从高压能源收集能量
图2. 典型应用电路中的MAX17710,从高压能源收集能量。
MAX17710集成升压稳压器,能够从低至800mV的电压进行升压充电。只要配合低廉的外部元件,即可对MEC进行充电,并收集1µW至100mW的能量。为了保护MEC,MAX17710能够处理高于MEC电压的输入,对其进行稳压或分流过大功率。超低静态电流、低压差线性稳压器(LDO)提供可选的输出电压:3.3V、2.3V或1.8V,防止潜在的MEC过放电。这也允许MAX17710适应各种负载,因为只有外部能源将MEC电压升至安全范围后,才解除欠压保护状态。
另一项考虑是极端温度。极低温度下,任何电池的特性阻抗都会增大,限制能够提供的负载电流。MAX17710集成了一项特有功能,通过管理外部储存电容提供较高的脉冲电流。

结论

能量收集允许电子装置工作在没有常规电源的区域,无需拉线或频繁更换电池。利用非常规电源,能量收集电路管理所产生的功率并保护储能装置。由于并不总是存在能源,能量收集系统也需要储存能量。
能量收集应用正在成为快速增长的市场,正在开发的一些产品也以成本低廉和“清洁”能源的利用显示了能量收集的实用性、有效性。显而易见,每套微能量电池方案都需要一定的能量收集充电器和保护电路,例如MAX17710。