世界现在需要的是能量收集

当今的电子控制系统越来越依赖遥感来实现可靠和高效的运行，而智能城市和智能工厂正在推动对电池供电的智能传感器的需求不断增长。通常，这些电池供电的传感器测量一些环境参数并通过低功率无线电网络共享信息，通常在云端。

这些传感器的发展以及相关的物联网在过去几年一直是讨论的主要话题，但直到现在还没有真正考虑过如何为这些传感器供电的问题。然而，随着对地球命运以及我们如何照顾它的担忧日益增加，人们不仅担心我们将如何为这些设备供电，而且还担心我们将使用什么材料以及这将对我们生活的世界产生什么影响。

当今许多更高效的电池技术使用锂和钴等元素，这些元素在环境或政治敏感地区发现并且通常非常罕见。今天，我们必须开始考虑我们如何生产这些材料，也许更重要的是，我们如何在它们的使用寿命结束时处理它们。

对这些材料的需求呈指数增长，仅生产电动汽车电池所需的材料的需求预计将比目前全球总产能高出许多倍。这些材料从哪里来，成本是多少？已经有针对一些科技巨头在刚果钴矿中使用童工的法律诉讼，目前估计该矿生产了全球约 60% 的钴供应。我们真的能负担得起这种电池供电设备的爆炸式增长吗？

世界现在需要的是新一代产品，它们可以从当地环境中产生自己的能源，而不是依赖于其他地方产生的电池或电力。世界需要我们开始开发使用能量收集的产品。我们和世界都不能不这样做。

那么什么是“能量收集”呢？能量收集是指将直接从当地环境获取的能量——无论是以阳光、温差、振动、发电机（水轮机和风力涡轮机）、压力还是其他形式——转化为电能的发电技术。以这种方式产生的电力可以存储在电容器或二次电池中以操作电子系统。

在本文中，我们将探讨设计使用能量收集电源的系统所涉及的一些基本问题。我们将主要考虑围绕设计的硬件问题，以带有集成能量收集控制器的新型 RE01 微控制器为例。RE01 是第一个采用瑞萨电子新型薄埋氧化硅超低功耗工艺的新一代微控制器，专门针对能量收集应用。

图 1：带有集成能量收集控制器的 RE01 微控制器框图

应用程序的软件设计超出了本文的范围，但这也是一个重要的考虑因素，因为您必须平衡需要执行的必要任务与系统使用的功率。

但是，您不能只采用现有的系统设计，并用能量收集源替换电源。在这种情况下，系统设计成为一种平衡行为，在能量产生/积累和能量消耗之间保持能量输入/输出平衡。正确设计的能量收集应用程序的优势在于，通过执行电源管理，无需人为干预的电池更换和电池充电，并且系统可以从本地环境收集的能量中永久运行。

围绕产品设计，我们必须考虑很多问题，例如电源的选择、电源的选择以及将设计划分为不同的电源域，这些电源域可以单独控制以最大限度地降低功耗。图 2 显示了使用 RE01 的能量收集系统中电源管理的电路配置。虽然我们可能希望完全取消电池使用，但电池仍然具有一些优势，例如更高的功率密度，因此可能仍需要小型可充电电池。

图2：能量收集系统中的电源管理电源电路配置

在使用能量收集电源的应用中选择要使用的组件时，请务必牢记以下标准。应根据每个设备的电气额定值进行选择。

应选择发电元件、二次电池和存储电容器以及调节器、负载开关和外围 LSI，使得发电/累积和功耗的输入/输出为正。

各种组件的选择标准如下所示。

发电元件（连接到 RE01 上的 VSC_VCC 引脚）

表1显示了发电元件的选择标准。可以连接到该设备的发电元件包括太阳能电池、珀耳帖元件和振动发电元件。当输出电压和输出电流落在能量收集控制电路（以下简称“EHC 电路”）的电气特性范围内时，该元件可以直接连接到 VSC_VCC 引脚。当输出电压和电流超出此范围时，必须加装DC/DC转换器等电压转换电路，或整流电路。

发电元件分为作为电流源使用的元件和作为电压源使用的元件。

当前来源：太阳能电池。

电压源：珀耳帖元件、振动发电元件、DC/DC转换器等恒压源。

当连接到电压源时，必须在电压源和 VSC_VCC 引脚之间插入一个电阻。通过以这种方式插入电阻器，流入 VSC_VCC 引脚的电流值被限制如下。

电流值 =（电压源输出电压 - VSC_VCC 电压）/插入电阻值

在 RE01 中，VSC_VCC 和 VBAT 之间存在大约 100 Ω 的导通电阻，存在于插入的电阻器和电池之间。电流源不需要电阻器。RE01 的情况下，输出电流和输出电压必须满足以下关系。

电流源的情况：

对于 10 mA 的输出电流，输出电压必须为 3.6 V 或更低。

对于 3 μA 的输出电流，输出电压必须为 2.62 V 或更高。

电压源的情况：

输出电压为 3.6 V 或更低，输出电流为 10 mA 或更低。

输出电压为 2.62 V 或更高，输出电流为 3 μA 或更高。

表 1：发电元件选择标准和连接示例

发电元件引脚处的电容器（连接到 VSC_VCC 引脚）

连接发电元件时，输出电压为直流电压，因此应将表2所示的电容连接到发电元件连接引脚。在交流电压的情况下，应根据评估进行确定。

表2：发电元件连接管脚电容选择标准

存储电容（连接到 VCC_SU 引脚）

表 3 显示了 VCC_SU 所需存储电容器的选择标准。该电容器的值根据使用环境的温度而变化。

-40°C 至 60°C：100 μF。

~40°C 至 85°C：150 μF。

电容器应从以下电容器类型中选择。

钽电容。

铝电解电容器。

多层陶瓷电容器。

应使用等效串联电阻 (ESR) 最多为几欧姆左右的电容器。如果充电电流增加到大约 10 mA，应使用低 ESR 的电容器。应该注意的是，铝电解电容器往往具有较高的 ESR。

6V左右的耐压就足够了，但使用耐压低的电容器时，绝缘电阻低，容量对电压的依赖性增大，因此选择电容器时必须慎重。

钽电容和铝电解电容往往绝缘电阻低，成为待机电流增加的原因，因此在对待机电流敏感的系统中必须谨慎使用。当需要降低待机电流时，可在VCC_SU处使用耐压几十伏的陶瓷电容。

表3：储能电容选择标准及接线示例

二次电池（连接到 VBAT_EHC 引脚）

表 4 显示了二次电池的选择标准。表中所示的二次电池可以连接到 VBAT_EHC 引脚。此外，还可以使用超级电容器。EHC 电路执行恒压充电。当连接电流源时，可用于充电的电流是不超过电池充电电压的电流。

NiMH 电池应与串联的两节电池一起使用。为了保持电池平衡，必须始终使用两节相同类型的电池。充电电流应约为标称电池容量 (C/10) 的 1/10。

当使用二次电池（VBAT）充电电压选择位OFS1.VBATSEL = 0（VBAT = 2.6 V）的设置，并通过10 mA作为电池充电电流时，为了防止电池电压下降，电池输出阻抗（内阻）建议为 10Ω 或更低。如果不可避免地使用输出阻抗高于10Ω的电池，则应将充电电流调整到较小的值，以免发生电压下降。

当使用设置 OFS1.VBATSEL = 0 (VBAT = 3.0 V) 时，充电电流应设置为 6 mA 或更小。这是为了防止 VBAT_EHC 电压上升到超过推荐的工作电压。

表 4：二次电池选择标准和连接示例

负载开关（连接到 RE01 的 VCC 引脚）

刚刚发电后，必须避免向连接到负载开关的外围 LSI 供电。如果在发电开始后立即向外围 LSI 供电，则可能会流过浪涌电流或较大的复位电流，从而阻碍能量收集的启动。为了防止这种现象的发生，应选择负载开关，以便在启动后立即输出低电平，即使输出控制引脚（其名称因制造商而异）处于断开状态。此外，应选择具有尽可能小的关断泄漏电流的负载开关。

稳压器（连接到负载开关输出）ISL9122

应选择浪涌电流和静态电流较小的稳压器。推荐使用低 Iq 或类似的 Renesas ISL9122。

外围 LSI（连接到稳压器输出）

应选择在待机和运行期间的浪涌电流和消耗电流尽可能小的 LSI。

软件设计

表 5 描述了在不同状态下管理电源管理所需的软件概要。为了构建半永久性不需要电池维护的系统，必须在以下每种情况下适当切换运行负载并调整能量输入/输出平衡。

表 5：软件在不同状态下的电源管理

本文展示了如何通过仔细的系统设计和组件选择来解决有关使用能量收集电源的一些问题。

我们真的不能继续使用传统电池技术开发产品，因为地球不能等待，我们也不能。

对于许多遥感应用，能量收集的使用不仅减少或消除了对电池的需求，而且还具有其他优势，例如显着延长产品寿命和不再需要定期产品维护。

审核编辑 黄昊宇