能量收集（也稱為能量收集或能量清除）允許電子設備在沒有傳統電源的地方運行，從而消除了對電線或更換電池的需求。本文介紹了幾種可用于為電路供電的非常規能源，并概述了該過程的應用。它還解釋了實施功能齊全的能量收集解決方案必須解決的設計挑戰。

介紹

現代電子系統解決了許多難題，以至于它們通常看起來像魔術。盡管如此，這些系統都有相同的基本限制：它們需要電源！大多數情況下，這對電子設計人員來說是一個直接的挑戰，因為有許多供電解決方案。然而，有時設備沒有直接電源，布線或更換電池是不切實際的。即使長壽命電池可用，最終也需要更換，這需要服務電話。

進入能量收集。能量收集（也稱為能量收集或能量清除）允許電子設備在沒有傳統電源的地方運行。它消除了對電線或更換電池的需求。

本文討論能量收集及其應用。它解釋了該過程的工作原理以及設計人員為實現功能齊全的解決方案而必須解決的挑戰。

什么是能量收集？

能量收集使用非常規能源為電路供電。通常，微小的能源被轉換為電能并存儲在耐用的存儲單元中，例如電容器，超級電容器或微能量電池（MEC），這是鋰固態電池的一種形式。該系統通常包括用于管理電源和保護存儲設備和其他電路的電路。

能量來源包括由光伏電池捕獲的光;振動或壓力，由壓電元件捕獲;溫差，由熱電發電機捕獲;無線電能量;甚至生化產生的能量，例如從血糖中提取能量的細胞。

遠程和便攜式應用的能量收集

雖然能量收集可以被認為是“免費能源”，但能源成本并不是大多數解決方案的動力。使用現代能量收集是因為它消除了將昂貴的電源線連接到偏遠位置的需要或經常更換昂貴的原電池的需要。簡單來說，能量收集系統更方便，并降低了許多應用的成本。

然而，它們的吸引力還有更多。能量收集系統也是資源智能?設計。它們消除了浪費的電池和長時間的電力線運行。它們使系統保持運行，而不會帶來不便、中斷性的服務呼叫。它們能夠在偏遠地區進行監測和控制，特別是在敏感的生態環境中。

能量收集應用側重于遠程站點、系統和移動設備的管理。典型用途是控制遠程傳感器、遠程無線傳感設備、用于建筑物出入的資產跟蹤和人員識別系統，以及增強遠程位置的安全性。具體的例子包括為管道、灌溉和其他包括管道但沒有電力的系統提供的遠程閥門;監測石油和天然氣管道的安全和控制設備;電動自動抽水馬桶;附著在衣服或防護裝備上的可穿戴電子產品;手術植入的電子設備，如藥物輸送、監視器和起搏器;和智能卡，其中包含電路但沒有電源。能量收集也被證明可用于各種實時時鐘（RTC）/內存備份應用以及資產跟蹤或識別。

能量收集的技術挑戰

能量收集解決方案對支持它們的電子設備提出了很高的要求。考慮其中的一些設計挑戰。如果能量資源并不總是存在，則系統需要在電池、超級電容器或微能量電池中存儲能量。此外，由于能源來源不同，系統必須轉換、調節和控制該能量。電路和儲能單元都必須受到保護，免受過電壓或功率尖峰的影響。支持電子設備必須具有高功率效率，因為能源通常很小。

由能量收集供電的遠程系統必須非常可靠。服務調用否定了遙控器的任何優勢。最后，遠程系統通常缺乏氣候控制或受到環境/溫度條件波動的影響。任何能量收集系統都必須適應這些條件并完美運行。

面向未來的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充電器和保護器是新一代電源管理IC，可“收集”各種調節不良的能量收集源產生的能量（圖1）。MAX17710提供能量收集和電源管理功能，以最大化、保護和控制微能電池（如無限功率方案THINERGY?微能電池（MEC））中存儲的能量（圖2）。超薄郵票大小的 MEC 非常靈活，可提供無與倫比的可充電性、循環壽命和電源性能。它們具有極低的自放電率，可延長數十年的保質期。事實上，這兩種設備使能量收集變得實用。

圖2.MAX17710的典型應用電路是從高壓電荷源收集的。

MAX17710集成了輸入升壓穩壓器，因此可以在低至800mV的電壓范圍內升壓。它不需要昂貴的外部元件即可為 MEC 充電，并收集 1μW 至 100mW 的能量。為了保護MEC，MAX17710處理高于MEC的輸入源電壓，并調節或分流多余的功率。具有 3.3V、2.3V 或 1.8V 可選電壓的超低靜態電流、低壓差線性穩壓器 （LDO） 可防止 MEC 的潛在破壞性過放電。這也允許MAX17710適應各種負載，因為欠壓保護只有在外部電源將MEC的電壓升高到安全區域時才能恢復。

極端溫度是另一個問題。在非常低的溫度下，所有電池的特性阻抗都增加，這限制了應用負載的高脈沖電流。MAX17710集成了管理外部存儲電容的獨特功能，以提供高脈沖電流。

結論

能量收集解決方案允許電子設備在沒有傳統電源的地方運行，無需鋪設電線或頻繁訪問以更換電池。使用非常規電源，能量收集電路管理產生的功率并保護儲能設備。由于能量源并不總是存在，因此能量收集系統也需要存儲能量。

能量收集應用有望迅速擴展。一些應用正在開發中，將展示能源收集的實用性、高效性、成本效益和“清潔”能量收集。很明顯，每個采用微能量電池的新方案都需要一些能量收集充電器和保護電路，如MAX17710。

審核編輯：郭婷