Cymbet能量收集评估套件的性能应用

当生物电路开始进入我们的产品时，我们需要喂它们。想象一下喂你的iPad吧。在此之前，我们的技术依赖于通过线路，电池和发电机提供的电能。

但正如T. Henry Morray所说，“世界处于能源之海”，能量收集工程师终于开始服用仔细看看我们周围的能源，我们可以利用。虽然像Morray和Tesla这样的人追求并展示了现代科学刚刚开始为群众解开的回避零点能量，辐射能量和真空能量，但是能量收集工程师专注于更具体和易于理解的商业来源，如振动，光，热电和EMR/RF。

本文将介绍不同类型能量收集源的能量分布，并在Cymbet能量收集评估套件中查看“引擎盖下”。该套件可接收来自太阳能，热能，EM/RF和振动源的能量。然后它调节能量为公司的固态可充电电池充电，这反过来在我们的电路需要时提供电力。

理解基线

不同的采收能源具有非常不同的特征。因此，对它们的充分了解将让我们设计出更好的方法来捕获它们的能量而不会浪费。

光伏太阳能电池是最常见和最广泛部署的能量收集设备。它们具有各种尺寸和额定功率，并提供与其敏感波长处的入射辐射强度成比例的可变DC功率电平。

总体而言，有三种主要类型的光伏太阳能电池可用，基于单晶，多晶和非晶结晶材料。

单晶和多晶电池是最古老的类型，基于晶体形式的硅半导体。它们在光照下基于空穴和电子对的分离实现光电效应（见图1）。

图1：随着电子迁移在电极侧，产生净正电荷，使电流流动。

单晶和多晶光伏电池在阴影或部分阴影时可能会失去效率，但即使在较高温度下也能正常工作，使其成为外太阳能的理想选择。无定形光电池是能量收集的理想选择，因为它们可以做得很薄（小于1μM）。另外，它们可以粘附或沉积在刚性金属或柔性塑料上作为载体基底。它们使用不规则的原子排列（见图2），允许更高的光吸收，从而产生更多的能量。非晶硅光电电池在部分遮光中也能更好地工作，使其适用于室内应用，特别是因为它们在较高温度下会失效。

图2：非晶硅电池的不规则形状允许更高的光吸收，使这些电池变得非常薄，甚至灵活。

小我们可以直接连接到我们的应用中的分立和串行/并联晶圆可以随时提供。例如，三洋的非晶AM-5610CAR为25 x 20 mm，完全照明时在2.4 mA稳定电流下产生5.1伏电压。这足以运行一个小型设备并同时为电池充电。

其中一些电池可以提取相当多的电量。看看三洋AM-8702CAR。这种分立导线，扁平，刚性非晶光电太阳能电池被串行化，以超过17 mA的电压输出6伏电压。 -100至+ 600C的额定值足以满足大多数户外应用以及室内照明的室内设备。

不要完全折扣晶体电池用于收割应用。有一些漂亮的小晶体电池，如IXYS公司的KXOB22-01X8，可以表面贴装，在4.4 mA时输出令人印象深刻的4.7伏电压。同样，IXYS公司提供小型单片表面贴装电池，如CPC1831N，采用8引脚SOIC封装。这部分产生了令人印象深刻的8伏电压，但电流较低，为25μA（见图3）。

图3：小型表面贴装封装光伏电池为低功率电路提供能量（由IXYS公司提供）。

虽然光是最广泛使用的环境能量形式，但其他光开始进入。

振动冲击和冲击类型的能量收集通常使用压电换能器将物理分子运动转换为可以捕获的电脉冲。动态范围为毫伏至数百伏，因此必须采用电路来捕获和保护高压尖峰。

并非每个应用都能利用冲击和振动来获取能量，但卡车等应用底盘传感器，机电工厂机器传感器和执行器经常暴露于冲击波和/或稳定的高水平振动。这里可以使用压电传感器。以MIDÉTechnologyCorporation的V25W压电能量收集机为例。这种灵活的平面设备对60至140 Hz范围内的振动非常敏感，使其能够根据表面的偏转和变形实时捕获能量。例如，这对于50和60 Hz旋转机器来说是理想的，否则其振动会完全浪费能量。

由于压电能量收集的交流和脉冲特性，需要进行整流和滤波，因此电路保护，因为脉冲冲击可以产生非常高的电压。冲击和振动的能量分布几乎与太阳能电池相反（见图4）。对于压电电池，能量捕获和量化更难确定。

图4：压电采集器的能量增加，直到其工作电压达到其开路电压的一半左右（左图）。将此与标准太阳能电池的能量曲线进行比较，当电流为短路电流的百分比时，最佳功率会出现（右图）。

对于压电传感器，您需要使用尖端质量，频率表和数据表中的曲线，以估算开路和工作电压。请注意，加速度也可以用作压电能量传感器的能量来源。

Digi-Key网站上的压电能量收集训练模块讨论了可用于将电力从压电设备传输到电路。

用于能量收集的热电源尚未像光伏和压电一样受欢迎，但它们具有很大的潜力。两种类型的设备通过温度变化产生功率：热电偶和珀耳帖效应设备。虽然两种器件都采用不同金属结的原理来产生电压电位，但热电偶主要用于温度传感器，因为它们产生非常低的电流。它们可以大规模并联以增加产量，但到目前为止，这还没有被证明是一种经济有效的解决方案。另一方面，Peltier效应器件主要用于加热和冷却应用，但是效果是对称的。这意味着只要您保持一侧冷却而另一侧加热，它将产生与双方温度差成比例的功率。

幸运的是，Peltier效应器件有各种各样的尺寸和配置。例如，Laird Technologies的较小的分立式430290-501提供了不对称的侧面，可以处理大约700C的温差（见图5）。来自CUI的较大的CPM-2F组件是预制的，通过直接粘合到陶瓷基板上的铝板最大限度地吸收热量。

图5：基于热电模块的热电模块Peltier效应器件通常用于电子加热和冷却，但由于效果是对称的，它们也可用于提取温度差异的电能（Laird Technologies提供）。

热电器件还没有作为能量采集器被广泛采用，因此数据表通常不提供使用它们从环境中提取电能的详细信息。这些器件通常在低电压下输出更高的电流，并且需要调节和电压转换才有用。它们出现在混合太阳能管中，除了发电之外还充当乙二醇加热器，因此我们应该随着时间的推移看到更多的能量收集应用信息。

最后开始获得牵引力的能量收集电源是可以捕获到电子电路的RF/EM辐射。虽然我们已经看到这种技术以有限的方式用于RF ID系统 - 从读取器获取RF能量并提取足够的功率来加载调制输出信号 - 但捕获的能量数量还不足以为节能微控制器供电和通讯链接。

然而，像无线充电系统这样的近场辐射系统可以。天线基本上是一个电感器，充当变压器的一半。物理隔离的发射器辐射AC场，天线可以拾取，整流并用作电源。 PC板薄饼螺旋天线可用于避免更昂贵和沉重的电感（见图6）。

图6：PC板平面天线可以产生辐射的交流电场，电感器或另一个PC平面天线可以从中获取能量。这为一些能量收集应用创造了低成本的近场电源。

虽然能源确实在我们周围，甚至可以被捕获，但是如何处理它是我们聪明的追求能够支付的地方关闭。有效的功率转换，调节，充电和存储以及提供捕获功率的能力是我们的设计发挥作用的地方。

基础技术

Cymbet制造和销售固体状态可充电电池，可以表面安装到小型PC板上，用于低功耗，备用电池，RTC和SRAM保留应用。所谓的EnerChips具有平坦稳定的电压曲线;高充电/放电循环寿命（通常为5,000）;自我放电率非常低（通常为五年）;

EnerChips是基于一种新的固体薄膜，制作为晶圆并像集成电路芯片一样封装（见图7）。可以使用标准的回流焊技术，并且没有可以泄漏，干燥或着火的腐蚀性易燃溶剂。由于EnerChips采用环保材料制造，因此没有特殊的处理要求。这也使它们非常适合小型密封设计，如可穿戴医疗设备。

图7：EnerChips就像标准IC一样制造可能泄漏的溶剂和易燃电解质（由Cymbet提供）。

EnerChips的评级为每小时12,50和100μA，并且可以将公司的充电控制器集成到一个封装中。这意味着您可以设计自己的充电/放电能量接口控制器或使用Cymbet的CBC915 EnerChip能量处理器，它基本上是一个专用控制器和定序器，用于控制和监控电池的充电速率，放电速率和状态。它还支持串联和并联配置的多个电池，以提供更高的功率容量。

由于电池具有如此平坦的放电曲线，因此很难知道它们仅仅从电压读数中保持多少能量。需要主动监测和气体计量来解决这个问题。 Cymbet的CBC915可以解决这个问题。

如果您正在设计自己的充电控制器，您需要实施精确的4.1伏充电调节器并监控放电速率，以免过快放电。电压过高，容量降低;电压太低，不会完全充电。此外，需要密切监控端子电压，如果电池电压降至3.0伏或更低，用户的设计必须消除任何负载。这也会损坏电池。再一次，CBC915负责这一点。

单独的电池输出额定电压为3.8伏，没有嵌入式充电控制器。当使用集成充电控制器时，电池输出稳压且可立即使用的3.3伏电压 - 非常适用于当今的许多设计。

数据手册详细介绍了理想的放电率。电池。通过这种方式，您可以知道是否需要多个并联，尤其是在使用更高电流消耗的脉冲时刻（例如RF应用）时。 Cymbet提供了一份应用说明，介绍了如何估算电池寿命以及RF等脉冲放电应用的设计。总体而言，当放电率较低时，电池性能和寿命最佳。

套件价值千言万语

EnerChips的小尺寸和特性使其具有低功耗电子设备，例如无线传感器，可以从当地环境中收集足够的环境能量以自行运行。为了证明使用能量收集来收集能量并为EnerChips充电，Cymbet已经提供了CBC-EVAL-09通用能量收集器评估套件（见图8）。

图8：能量收集器评估套件具有太阳能，EM/RF，热和振动能源接口，并包含公司的充电控制器芯片（由Cymbet提供）。

DIP开关设置配置电路板接受电源基本上有五个调理电路接口：高压直流输入，两个高压交流输入，两个低压交流输入和一个直流直流输入（见图9）。用于不同能量源的示例电路包括升压转换器，两个电荷泵和反激转换器。 DC输出端的固态开关允许CBC915控制器从充电状态进入放电状态，并在有条件能量可用时自动返回。还有一个低电池切断开关，用于保护不应低于3伏的电池。

图9：桥式整流器将交流电转换为直流电高压和低压交流输入;电荷泵，反激和升压转换器用于调节充电控制器芯片的能量，控制和监控电池放电（图片由Cymbet提供）。

拆包和连接

我收到了CBC-EVAL-09通用能量收集器评估套件并打开包括主板，示例光电池，扁平柔性电缆和CD ROM的内容。在CD ROM上有这个评估套件的所有数据表，应用说明和手册，以及Cymbet提供的其他评估套件。

我喜欢100密耳的间距引脚头，因为它们提供了一个简单的接口。使用这些引脚，我能够连接我自己的太阳能电池，以快速测试电路板。我也很喜欢电路板的布局 - 所有能量转换电路都在左侧，能量控制器芯片位于中心位置，每个引脚的测试点都可以轻松进行探测。右侧有嵌入式EnerChip CBC51100模块，其中包含两个50μA/小时的电池，一个CBC050可充电电池和一个CBC3150智能薄膜电池，其中包含电池和充电控制器。这提供了一个3.3伏，每小时100μA的电源，可以通过能量收集进行充电，并在我的测试负载下放电。

DIP开关是微型的，所以我需要好的眼镜来阅读参考标志，但手册也有大尺寸的开关，按钮，指示器和连接器的打印件，我可以参考。

我喜欢在按下一个小开关按钮之前状态LED不起作用。这使我能够看到操作状态，但不是为了点亮指示器而将功率拉开。当控制器跟踪最大功率时，三个状态指示器让我知道;当保持电容充电时;当EnerChips收费时;当输出功率受到调节时。一个很好的功能是CB915找到输入传感器的最大峰值功率点并指示它已锁定。

我也喜欢折叠的引脚测试点，我可以轻松地连接仪表。这让我可以看到来自我的电源和负载的电池电压，电容器电压和输入电压。

随着附带的电池供电，我能够看到1.39伏输入被提升到4.02伏特EnerChips喜欢看（参见图10）。充电电压调节得越好，从EnerChips看到的性能就越好。

图10：测试设置让我很容易配置和连接各种能源设备并评估Cymbet提供的收获和充电技术。

当我尝试从我的一个太阳能庭院灯中取出的太阳能电池时，我能够看到它的输出电压低于所提供的太阳能电池的输出电压。几秒钟后，EC LED指示即使在较低电压下EnerChip正在充电，再过几秒钟后，我看到MPPT LED指示灯闪烁，表明控制器已找到并锁定在电池的最大功率点上。正在使用。

当太阳落山时，我看到充电速度减慢了，但是电路仍在提取能量，并且仍在向电池发出电荷脉冲，尽管速度较慢。

我将热电设备连接到接头并计划测试这个，并且我可以立即构建一个可以控制和监控两个板的温度的测试装置。这将让我描述不同温度下的可用能量。