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节流还要开源,一文收藏那些教科书式的微功耗能量采集方案

2019-10-21

如何更多的获取并更有效的利用能量,是这个世界永恒的话题,电子工程师们为电子设备的供电问题也是操碎了心。除了斤斤计较地节流之外,还要想方设法地开源,尤其是对于未来越来越多的IoT设备而言,越来越多的传感器需要被部署到各种环境中,包括人迹罕至的荒原、气候恶劣的高山、海洋。因此,可以实现自供电的能量采集技术派上了大用场,根据市调报告显示,2012~2019年能量采集元件市场规模由1亿多美元爆发成长至42亿美元。

能量采集技术的关键就是如何将这些微弱的环境能量采集起来,并能高效转换成电能,以给电子设备供电。高性能模拟技术提供商ADI提供了多种能量收集应用的超低功率 IC,用于对来自光伏能源 (太阳能) 、振动能源 (压电)和热能源 (TEC、TEG、热电堆、热电偶) 等能量进行转换的电源管理产品可提供高效率转换至稳压电压,使微功耗的能源收集成为可能。

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ADI广泛的微功耗能量收集技术

采撷日之精华,使自供电成为可能

环境中有各种的能量源,光能、热能、振动能和RF能,其中采用最为广泛的是太阳能,其具有最高的潜在能量采集量(从室外的100mW/cm2到室内光照的0.1mW/cm2)。小型太阳能电池含有光电电池,能够将光能转化成电能。但室内的光强不如室外,室内能量收集系统收集的能量受到太阳能模块尺寸大小、环境光强度及光谱组成的限制。通常来说,太阳能电池收集的电能可以用于电池或超级电容器的充电,从而为设备提供稳定的电源。

ADI基于太阳能的能量采集芯片ADP5090/5091/5092是非常好的解决方案。首先它们具有极低的功耗(<300nA)并在很低的电压(380mV)下即可启动工作,同时可以管理采集到的微能量并给电池(锂电池、薄膜电池、超级电容等)和电容充电,使之达到负载所需的工作电压。此外它可以支持突发性的射频输出或MCU,并支持第二个后备电池。对于如何提高太阳能的转换效率,该系列芯片特别设计了MPPT(最大功率点跟踪控制)功能来保证太阳能电池板能一直工作在最大功率点上,只需要手表盘大小的太阳能电池板即可工作。因此,该系列芯片广泛用于可见光照射下的任何便携式设备、无供电电源的传感器、无线发射模块、可穿戴设备等多种应用中。

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ADP5090超低功耗升压调节器,集成MPPT和电荷管理功能

消除环境限制,只需振动即可发电

振动能量存在形式多样,振动能量收集是一种行之有效的环境能量发电方法。根据发电原理不同,振动发电机可以分为静电式、电磁式与压电式。其中,压电式振动发电机以其能量转换效率高、结构简单、无电磁干扰、易于实现整体结构的微型化与集成化等优点成为国内外振动发电领域研究的重点。压电换能器受到振动和移动时能够产生电能。因此,设备能够将振动产生的动能转化为 AC 电压,AC 电压经过调整后,向系统提供电力。例如用户按下遥控器按钮时产生的能量可以收集起来用于发送一个低耗能的无线电信号。同样地,当有人走过时,安装在地砖底下的压电换能器也能产生电能,可以为小型显示屏或紧急灯供电。

ADI电源转换芯片LTC3588配合小体积的换能器可以在0.25g的振动加速度和40Hz的频率上产生200多微安的电流。产品通过集成一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器,以造就一款专为高输出阻抗能源 (例如:压电换能器) 而优化的完整能量收集解决方案。这电流看起来很小,但对于很多微弱电流的监控系统来讲,这个电流已基本足够用,可以实现设备的终身免维护和无人值守。

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高效利用温度梯度,解决电池续航难题

温差发电的工作原理基于塞贝克效应(Seebeck effect)。热电发生器(TEG)通常由数百个N型和P型材料的柱体结构组成,从电路上看它们通过串联方式增加温差电势,而在传热方面通过并联连接增加热能的使用效率。当器件两端存在温差时,热场驱动载流子运动并在回路中形成温差电流,以此来输出功率。利用由系统内温度变化而产生的电能,能够运作尤其是低功耗电路设计的系统,让一些无法使用电池,或是电力线的低功耗应用可以实现。现在,甚至可以利用人体热量为穿戴设备的传感器供电。

以ADI高度集成的 DC/DC 转换器LTC3108为例,其非常适合于收集和管理来自诸如TEG、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。数据显示,一个3cm×3cm的TEG连上LTC3108,可以产生3.3伏电压,在10度温差时,大概就能产生60微安的电流,可以得到200微瓦的功率。试想一下,如果将其用于可穿戴设备,人体的体表温度可能有35度,即使环境温度有25度,也能有10度的温差,如果是冬天,温差可能就更大,能够产生更大的功率,而且是可以持续不断的为可穿戴设备供电,实现真正的“免充电”。此外,据ADI电源产品中国区市场总监在此前的演讲中透露,ADI目前还在考虑如何改进温差发电转化技术。虽然已有的能量采集IC能实现把20毫伏的微弱电压升到3.3伏已经是非常大的挑战了,但ADI仍在思考如何把换能器功率进一步提高,从200微瓦提高到400微瓦,并且体积只有目前的1/10。

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LTC3108 TEG 能量采集装置的应用

本文小结

所有面向绿色能源或能量收集的产品都将在今年及之后的时间里迎来新的发展机遇。出于对能源成本和环境问题的关注以及延长移动设备电池使用寿命的需要,业界对于包括智能可穿戴设备在内的众多电子产品应用的功率优化均投入了巨大的精力开展相关的研发。本文以ADI一系列针对不同应用的高性能电源管理芯片举例,阐释了如何使微功耗能量采集以更高的效率进行功率转换,并延长电池寿命,或许可以为其他领域的能量采集提供参考,真正更高效、更充分地利用我们周围丰富的“免费”环境能源。


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