基于能量收集技术建立替代能源动力系统

用于发电的替代能源系统是关键的产品开发项目。作为产品运营成本的直接组成部分，运营能源的产生和获取现在已成为设计周期的一部分。 Nanopower电子设备，用于电力创建/监管的PZT接口以及PV都是用于基础设施级和移动设备的所有方法。这些能量收集选项的设计和应用与系统的其他部分相关，现在是使用模型的关键部分。开发套件允许同时进行能源和消费产品的软件开发。

低功耗系统

当人们谈论“非电池”供电系统时，人们首先想到的是具有令人尊敬的八位数，四功能太阳能计算器（见图1）。这些设备从高科技到商品化产品，功率优化到低成本产品，现在可作为赠品。关键是降低工作功率和峰值电流消耗。这些变化是通过设计技术实现的。现代移动设备基于工艺细化和设计而降低功率。结果是，现在可以在由备用能量产生部件提供的功率预算内操作更大的系统。

图1：标准四功能太阳能计算器。

这些新系统需要在低电压（3.3 V及以下）和低电流（亚mA范围）下运行。为了帮助管理这些设计，外部电源调节器和存储元件用于在电路运行时保持稳定的功率。这些低功耗设计通过典型的“循环”峰值功率模式来识别，这些功能模式是在逻辑开关同步时钟边沿时或模拟信号锁存到数字接口部分时产生的。这些低功耗设计的关键性能方面是它们随附的软件开发套件。它们允许构建应用程序和功能，在运行时，将电子系统保持在设计所针对的低功耗外壳内。这些系统有两种形式：带电源的交钥匙开发系统，低功耗电子设备和软件开发套件（SDK），以及作为独立的低功耗产品和独立发电组件，需要定制软件限制才能使应用程序正常工作。

太阳能发电系统

太阳能发电是移动电子产品中最着名的替代能源之一。功率单元非常直接地以串联和并联的方式连接，以产生支持系统的工作电压和电流。主要问题是太阳能电池板的面积效率和透镜设置。它们往往对产品的工业设计很大且具有侵入性。透镜设置有助于确定室内（荧光）与室外照明的有效效率。为了帮助设置，可以使用交钥匙套件，例如德州仪器太阳能收集套件（Digi-Key部件＃EZ430-RF2500-SEH太阳能收集开发工具）。 TI太阳能收集套件包含太阳能电池，储能组件和超低功耗MSP430 MCU。该系统还包括一个带指示灯和USB接口的开发板，让开发人员可以创建独立的永久运行的无线传感器网络。该环境还包括功率优化的CC2500 2.4 GHz无线收发器，旨在与太阳能电池配合使用。

图2：TI太阳能收集套件 - 功能和组件。

图2显示了开发套件的功能和组件。图3显示了微控制器单元板上的结构和连接及其与主太阳能集热器单元的连接。开发套件是模块化的，因此您可以将微控制器连接到电池进行功能测试，USB端口用于调试和程序传输，太阳能收集器模块与能量电池连接以实现实际操作。

图3：TI太阳能收集套件 - 连接和开发选项。

其他开发套件，如Microchip Technology的XLP能量收集开发板，也有太阳能收集系统。该电路板设计采用Cymbet EnerChip可充电储能电池。这些固态设备也可从Digi-Key获得，是超级电容器和电池的替代品。它们能够在100μA吸取时以50μAh的电流提供高达3.8 V的电压。 Microchip评估板具有16位版本的PIC处理器。这些低功耗设计元件的工作频率为35μA/MHz，而实时时钟/日历等功能的工作电流低至470 nA。该器件再次具有板载存储器，I/O和RF组件。它由软件开发系统支持，允许您将应用程序功能编程到16位处理器中;它可用于为许多应用程序段创建原型。开发工具包如图4所示。

图4：Microchip太阳能开发套件。

这个和许多开发套件的关键部分是应用软件开发部分，例如Microchip/Cymbet Energy Conscious软件程序。识别各种任务的功率预算，并且软件允许设计者通过自身或组合来计划何时以及哪些块“开启”，以及充电/放电状态的能量收集状态。由于大多数备用能量系统中的电源是瞬态的，并且在电子设备的使用期间不一定处于峰值水平，因此稳定功率元件（超级电容器，能量电池等）的下降是高优先级的。

除了开发套件外，Digi-Key还提供用于太阳能收集的单个组件。其中包括Clare，IXYS Corporation，Parallax，Inc。和Sanyo Energy的太阳能集热器; TE Connectivity，Molex和Amphenol Industrial的连接器;美国国家半导体（现为TI）的热管理，以及AVX公司，Cooper，Nichicon，Panasonic，Seiko Instruments，Inc。等公司的超级电容/超级电容/电池。正如开发套件示例的图像所示，Cymbet Eval-08太阳能收集器等标准化模块被多个供应商使用，也可用作定制应用的基础。

能量收集系统

除了用于产生能量的太阳能之外，还有一些技术用于运行传感器和系统。更常见的方法之一是使用高阻抗源（如压电传感器（PZT））转换运动和压力。凌力尔特公司生产单芯片压电能量采集电源LTC3588。 LTC3588-1集成了低损耗全波桥式整流器和高效率降压转换器，形成了针对高输出阻抗能源（如PZT）优化的完整能量收集解决方案。图5显示了如何使用LTC3588构建PZT能量收集系统的示意图。图5：Linear Technologies PZT能量收集开发套件示意图。

Volture等制造商提供了许多不同的PZT设备。这些装置基于传感器的方向和变形量产生电信号。 Volture的器件是双器件，可以串联或并联连接，具体取决于所需的输出电压和/或输出电流，以供给稳压器电路。 PZT传感器的操作和连接如图6所示.PZT设备的标称配置是将其作为并联配置进行连接。这样可以在电流加倍时提供单个电压电平输出，并使容性负载加倍。大多数跟进电路都面临着在功率方程中没有太多电流来满足整个设计的挑战。新的系统电子设备已经扩展到较低的电压水平，但尺寸和性能能力直接与可用的电流量成比例。

适用于基于PZT的能量收集的基于运动的系统包括工业健康监测器，电机振动，HVAC传感器，移动资产跟踪，胎压监测，车辆监控/交通监控传感器以及油气传感器。

图6：Volture PZT双传感器。

电力存储和分配

备用能源系统的结构包括一个产生电信号的集电极元件（太阳能，PZT，风等）。然后该信号进入整流器/调节器以将波形转换为DC信号。然后对得到的DC信号进行滤波以消除噪声并提供控制功能，并最终存储在基于电压的元件中。这些存储元件包括简单的电容器和电感器，电池，超级电容器和电池。然后将这些存储容器的输出连接到标准DC-DC转换器和调节器，以连接到系统电子器件。

这些元素是用于能量收集和非能量收集应用的标准产品。该系列的主要成员是功率调节和控制组，其可以将存储在“储存器”元件中的能量分配并且在具有可变电流的固定电压下分配。这些收获系统中的大多数都面临着在中央储存库中将所发现的能量合并在一起以创建单一源功率抽取的挑战。这些调节元件构成一类称为电源管理IC（PMIC）的部件。它们包含DC-DC开关控制器和稳压器，低压差（LDO），线性和开关器件以及大功率晶体管器件。 Digi-Key拥有超过40家支持发电空间的设备供应商，最大输出电流范围为μA至8A。单芯片稳压器是一种独立技术，具有通用元件 - 低引脚数（少于6个引脚） ）;支持散热片的封装;和高可靠性，因为它们是终端电路系统的恒定“开”部分。

包括高电流和高功率水平的大规模系统通常不使用单芯片集成稳压器和整流器系统。相反，他们使用分立或成对的功率器件来创建高压桥。对于更大规模的太阳能系统，太阳能逆变器（DC-AC转换）和风力发电系统，功率分立晶体管的使用是常态。 Digi-Key承载功率器件，可处理100μA范围至60 A范围内的电流和高达1200 V的电压。这些器件可作为JFET，BJT和IGBT，来自许多供应商（40多家），其中包括STMicroelectronics，IXYS Corporation ，ROHM半导体，安森美半导体，飞兆半导体和美国国家半导体（现为德州仪器）。