能量收集系统为无能为力者提供动力

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地方运行，从而消除了对电线或更换电池的需求。本文介绍了几种可用于为电路供电的非常规能源，并概述了该过程的应用。它还解释了实施功能齐全的能量收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难题，以至于它们通常看起来像魔术。尽管如此，这些系统都有相同的基本限制：它们需要电源！大多数情况下，这对电子设计人员来说是一个直接的挑战，因为有许多供电解决方案。然而，有时设备没有直接电源，布线或更换电池是不切实际的。即使长寿命电池可用，最终也需要更换，这需要服务电话。

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地方运行。它消除了对电线或更换电池的需求。

本文讨论能量收集及其应用。它解释了该过程的工作原理以及设计人员为实现功能齐全的解决方案而必须解决的挑战。

什么是能量收集？

能量收集使用非常规能源为电路供电。通常，微小的能源被转换为电能并存储在耐用的存储单元中，例如电容器，超级电容器或微能量电池（MEC），这是锂固态电池的一种形式。该系统通常包括用于管理电源和保护存储设备和其他电路的电路。

能量来源包括由光伏电池捕获的光;振动或压力，由压电元件捕获;温差，由热电发电机捕获;无线电能量;甚至生化产生的能量，例如从血糖中提取能量的细胞。

远程和便携式应用的能量收集

虽然能量收集可以被认为是“免费能源”，但能源成本并不是大多数解决方案的动力。使用现代能量收集是因为它消除了将昂贵的电源线连接到偏远位置的需要或经常更换昂贵的原电池的需要。简单来说，能量收集系统更方便，并降低了许多应用的成本。

然而，它们的吸引力还有更多。能量收集系统也是资源智能®设计。它们消除了浪费的电池和长时间的电力线运行。它们使系统保持运行，而不会带来不便、中断性的服务呼叫。它们能够在偏远地区进行监测和控制，特别是在敏感的生态环境中。

能量收集应用侧重于远程站点、系统和移动设备的管理。典型用途是控制远程传感器、远程无线传感设备、用于建筑物出入的资产跟踪和人员识别系统，以及增强远程位置的安全性。具体的例子包括为管道、灌溉和其他包括管道但没有电力的系统提供的远程阀门;监测石油和天然气管道的安全和控制设备;电动自动抽水马桶;附着在衣服或防护装备上的可穿戴电子产品;手术植入的电子设备，如药物输送、监视器和起搏器;和智能卡，其中包含电路但没有电源。能量收集也被证明可用于各种实时时钟（RTC）/内存备份应用以及资产跟踪或识别。

能量收集的技术挑战

能量收集解决方案对支持它们的电子设备提出了很高的要求。考虑其中的一些设计挑战。如果能量资源并不总是存在，则系统需要在电池、超级电容器或微能量电池中存储能量。此外，由于能源来源不同，系统必须转换、调节和控制该能量。电路和储能单元都必须受到保护，免受过电压或功率尖峰的影响。支持电子设备必须具有高功率效率，因为能源通常很小。

由能量收集供电的远程系统必须非常可靠。服务调用否定了遥控器的任何优势。最后，远程系统通常缺乏气候控制或受到环境/温度条件波动的影响。任何能量收集系统都必须适应这些条件并完美运行。

面向未来的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充电器和保护器是新一代电源管理IC，可“收集”各种调节不良的能量收集源产生的能量（图1）。MAX17710提供能量收集和电源管理功能，以最大化、保护和控制微能电池（如无限功率方案THINERGY®微能电池（MEC））中存储的能量（图2）。超薄邮票大小的 MEC 非常灵活，可提供无与伦比的可充电性、循环寿命和电源性能。它们具有极低的自放电率，可延长数十年的保质期。事实上，这两种设备使能量收集变得实用。

图2.MAX17710的典型应用电路是从高压电荷源收集的。

MAX17710集成了输入升压稳压器，因此可以在低至800mV的电压范围内升压。它不需要昂贵的外部元件即可为 MEC 充电，并收集 1μW 至 100mW 的能量。为了保护MEC，MAX17710处理高于MEC的输入源电压，并调节或分流多余的功率。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 的潜在破坏性过放电。这也允许MAX17710适应各种负载，因为欠压保护只有在外部电源将MEC的电压升高到安全区域时才能恢复。

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增加，这限制了应用负载的高脉冲电流。MAX17710集成了管理外部存储电容的独特功能，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地方运行，无需铺设电线或频繁访问以更换电池。使用非常规电源，能量收集电路管理产生的功率并保护储能设备。由于能量源并不总是存在，因此能量收集系统也需要存储能量。

能量收集应用有望迅速扩展。一些应用正在开发中，将展示能源收集的实用性、高效性、成本效益和“清洁”能量收集。很明显，每个采用微能量电池的新方案都需要一些能量收集充电器和保护电路，如MAX17710。

审核编辑：郭婷