电路保护与能量存储

  

电路保护与能量存储

一般而言，电路保护通常涉及确保过多的能源不会损坏或阻碍电路的运行。但是，随着低能耗解决方案变得越来越流行，是否可以将这种额外的能源重新用于其他用途?

 

低能耗解决方案

随着技术影响力的不断提高以及电子产品成本的下降，不足为奇的是，到本十年末，我们可以很好地看到某个电路正在处理生活的方方面面。物联网(IoT)的兴起见证了无数的感官数据的收集，而晶体管尺寸的减小则见证了在硅片上制造的功率惊人的处理器，其大小不超过一粒米。

确实，这种技术的丰富性使设计人员希望突破电子设备可操作的范围，这导致电子设备在恶劣的偏远环境(如海洋，沙漠和太空)中得以实现。在此类环境中进行设计时，设计人员必须了解，电路不仅必须能够在这些环境中运行(例如化学损伤，热和辐射)，而且还需要电源。

电源的变化很大，每种电源都有其自身的优点和缺点，包括可靠性，存储能力和实用性。通过使用睡眠周期减少功耗，可以最大程度地减少对电源的依赖，但是即使如此，仍然需要电源。

一种看似有希望的技术是能量收集。该解决方案使电路吸收周围环境中的能量，存储该能量，然后将其转换为更有用的格式。这些来源包括太阳，风和振动。但是，这里是否有一种替代能源实际上被忽视了?

 

电路保护目的

如前所述，电路保护的基本目的是将有害能源从容易损坏的敏感电路中转移出去。这种转移可通过多种技术来实现，包括防止电压超过电路阈值的钳位二极管或防止大量电流流过电路的PTC可复位保险丝。

大多数现代电路保护技术都涉及转移或消散多余的能量，无论它来自静态来源(例如人)还是来自意外的电涌(例如来自配电网络的电涌)。如果电路保护的目的是防止有害能量损坏组件，那么该能量是否可以存储而不是消散?如何在设计中实现这一点?这样的系统将使哪些应用受益?

 

能量收集和电路保护

典型的能量收集技术涉及直接连接到其能量源的能量存储元件(例如电容器)，并且它们之间的电路最少。例如，太阳能电池可以连接至电容器，该电容器又连接至DC/ DC转换器。当电容器两端的电压达到特定阈值时，DC/ DC转换器可以使电压升高，然后为主电路供电。从简单的信标到物联网传感器，一切都可以。

但是，从有害来源转换能量可能会出现问题，因为必须从能源路径转移能量来源，而不是从专用的电力路径转移能量。为了更好地理解这个设计问题，让我们看一下两种不同的情况;ESD源和电感性元件。

 

ESD源

静电放电源通常是很短时间内的高压。日常ESD来源的常见示例包括层压地板上的购物车和摩擦皮肤的衣服。在这两个示例中，产生的电压可能高达10KV，它们可能导致人跳下来。

由于静电冲击的长度通常在毫秒范围内，因此传递的总能量非常小，这就是为什么这些源对人体无害的原因。而且，许多电路现在都基于CMOS技术，其中包括难以置信的薄栅极。这些栅极极易受到电介质击穿的影响，这就是为什么静电冲击很容易损坏它们的原因(因此需要防静电包装等)。保护免受此类干扰的方法通常包括使用齐纳二极管，其钳位电压超过规定范围(例如5V逻辑电路为5.1V)。

从ESD源转移能量将很困难，因为电路必须能够以最小的功率快速做出响应。因此，这种方法将需要依赖于模拟电路(即，没有有源微控制器或数字逻辑)，其中一种可能的布置是使用雷卯电子晶闸管TSS。高于所需电平(例如5.1V)的电压可能会导致二极管配置将主电路与ESD电源电隔离，然后电连接功率存储元件(例如超级电容器)。可以实现此目的的组件将是基于PN结的组件，例如二极管，SCR和晶闸管。

该电路设计中的挑战将是确保电路在将能量转移到存储元件的同时，将其与ESD源电隔离，而不是通过二极管将其散发为热量。这种用于能量收集的方法在可穿戴应用中将非常有益，因为运动会产生振动，而机械能也会产生静电。ESD能量存储在很少使用的远程环境(例如监控站)中不可行。

 

感应源

由于电路反电势的存在，在电路保护方面，电感元件对于电路设计人员而言可能是个大问题。电感器实质上是电磁体的一种形式，其中当电流流过时，会产生磁场。如果通过电感器的电流保持恒定，则产生的磁场也将恒定。另一方面，如果电流变化，则磁场的合成强度也会变化。如果您愿意，这种变化的磁场会在电感器中感应出一个电压，该电压的极性与变化的电流相反。这种抗变化能力在滤波器电路中很有用，从而可以阻止电流的突然变化(例如电涌)，从而防止损坏路径上的电路。不过，值得注意的是 电感可能是电路损坏的潜在来源，尤其是在涉及开关电路的情况下。继电器线圈是一个常见的例子，其中反电动势会损坏电路，否则可通过反极性二极管对其进行保护。由于唯一的电压源是电源，因此打开继电器线圈不会导致电压尖峰(当观察到电流尖峰时)。当继电器线圈断电时，坍塌的磁场会产生非常大的反电动势，通常以数百伏为单位进行测量。通过使用反激二极管解决了这个问题，该反激二极管实质上使继电器线圈短路，并防止大的反电动势进入敏感的开关电路，例如晶体管。继电器线圈是一个常见的例子，其中反电动势会损坏电路，否则可通过反极性二极管对其进行保护。由于唯一的电压源是电源，因此打开继电器线圈不会导致电压尖峰(当观察到电流尖峰时)。当继电器线圈断电时，坍塌的磁场会产生非常大的反电动势，通常以数百伏为单位进行测量。通过使用反激二极管解决了这个问题，该反激二极管实质上使继电器线圈短路，并防止大的反电动势进入敏感的开关电路，例如晶体管。继电器线圈是一个常见的例子，其中反电动势会损坏电路，否则可通过反极性二极管对其进行保护。由于唯一的电压源是电源，因此打开继电器线圈不会导致电压尖峰(当观察到电流尖峰时)。当继电器线圈断电时，坍塌的磁场会产生非常大的反电动势，通常以数百伏为单位进行测量。通过使用反激二极管解决了这个问题，该反激二极管实质上使继电器线圈短路，并防止大的反电动势进入敏感的开关电路，例如晶体管。由于唯一的电压源是电源，因此打开继电器线圈不会导致电压尖峰(当观察到电流尖峰时)。当继电器线圈断电时，坍塌的磁场会产生非常大的反电动势，通常以数百伏为单位进行测量。通过使用反激二极管解决了这个问题，该反激二极管实质上使继电器线圈短路，并防止大的反电动势进入敏感的开关电路，例如晶体管。由于唯一的电压源是电源，因此打开继电器线圈不会导致电压尖峰(当观察到电流尖峰时)。当继电器线圈断电时，坍塌的磁场会产生非常大的反电动势，通常以数百伏为单位进行测量。通过使用反激二极管解决了这个问题，该反激二极管实质上使继电器线圈短路，并防止大的反电动势进入敏感的开关电路，例如晶体管。

可以将来自电感器的反电动势存储到能量收集电路中，但这样做与存储ESD能量具有类似的挑战。短暂的能量脉冲将必须由不依赖于外部电源或处理系统的电路来处理。这可以通过齐纳二极管装置来实现，该齐纳二极管装置在被激活时将敏感控制电路与电感器电隔离。然后，电容器组将能够存储反电动势和以后重新利用的能量。这种在同时保护电路的同时进行能量收集的方法可以在诸如门锁之类的低功率家庭自动化设备中实施，这是控制螺线管所必需的，但仅短暂使用。

 

结论

在最长的时间内，电子产品已内置在具有某种可靠电源(无论是电池还是电源)的产品中。随着将电子设备安装到各种位置的需求以及对更节能系统的需求，能量收集已成为该行业越来越受欢迎的领域。

随着电子设备的能源需求不断减少，来自小来源(如ESD和感应电压)的可用能量也随之增加。下一代智能健康传感器是否将采用ESD供电?电池的锁是否可以使用多年?电路保护会进入能量存储吗?时间会证明一切。

 

雷卯电子积累了各行业应用的电路保护方案。