當今的電子控制系統(tǒng)越來越依賴遙感來實現(xiàn)可靠和高效的運行，而智能城市和智能工廠正在推動對電池供電的智能傳感器的需求不斷增長。通常，這些電池供電的傳感器測量一些環(huán)境參數(shù)并通過低功率無線電網(wǎng)絡(luò)共享信息，通常在云端。

這些傳感器的發(fā)展以及相關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)在過去幾年一直是討論的主要話題，但直到現(xiàn)在還沒有真正考慮過如何為這些傳感器供電的問題。然而，隨著對地球命運以及我們?nèi)绾握疹櫵膿鷳n日益增加，人們不僅擔心我們將如何為這些設(shè)備供電，而且還擔心我們將使用什么材料以及這將對我們生活的世界產(chǎn)生什么影響。

當今許多更高效的電池技術(shù)使用鋰和鈷等元素，這些元素在環(huán)境或政治敏感地區(qū)發(fā)現(xiàn)并且通常非常罕見。今天，我們必須開始考慮我們?nèi)绾紊a(chǎn)這些材料，也許更重要的是，我們?nèi)绾卧谒鼈兊氖褂脡勖Y(jié)束時處理它們。

對這些材料的需求呈指數(shù)增長，僅生產(chǎn)電動汽車電池所需的材料的需求預(yù)計將比目前全球總產(chǎn)能高出許多倍。這些材料從哪里來，成本是多少？已經(jīng)有針對一些科技巨頭在剛果鈷礦中使用童工的法律訴訟，目前估計該礦生產(chǎn)了全球約 60% 的鈷供應(yīng)。我們真的能負擔得起這種電池供電設(shè)備的爆炸式增長嗎？

世界現(xiàn)在需要的是新一代產(chǎn)品，它們可以從當?shù)丨h(huán)境中產(chǎn)生自己的能源，而不是依賴于其他地方產(chǎn)生的電池或電力。世界需要我們開始開發(fā)使用能量收集的產(chǎn)品。我們和世界都不能不這樣做。

那么什么是“能量收集”呢？能量收集是指將直接從當?shù)丨h(huán)境獲取的能量——無論是以陽光、溫差、振動、發(fā)電機（水輪機和風力渦輪機）、壓力還是其他形式——轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。以這種方式產(chǎn)生的電力可以存儲在電容器或二次電池中以操作電子系統(tǒng)。

在本文中，我們將探討設(shè)計使用能量收集電源的系統(tǒng)所涉及的一些基本問題。我們將主要考慮圍繞設(shè)計的硬件問題，以帶有集成能量收集控制器的新型 RE01 微控制器為例。RE01 是第一個采用瑞薩電子新型薄埋氧化硅超低功耗工藝的新一代微控制器，專門針對能量收集應(yīng)用。

圖 1：帶有集成能量收集控制器的 RE01 微控制器框圖

應(yīng)用程序的軟件設(shè)計超出了本文的范圍，但這也是一個重要的考慮因素，因為您必須平衡需要執(zhí)行的必要任務(wù)與系統(tǒng)使用的功率。

但是，您不能只采用現(xiàn)有的系統(tǒng)設(shè)計，并用能量收集源替換電源。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計成為一種平衡行為，在能量產(chǎn)生/積累和能量消耗之間保持能量輸入/輸出平衡。正確設(shè)計的能量收集應(yīng)用程序的優(yōu)勢在于，通過執(zhí)行電源管理，無需人為干預(yù)的電池更換和電池充電，并且系統(tǒng)可以從本地環(huán)境收集的能量中永久運行。

圍繞產(chǎn)品設(shè)計，我們必須考慮很多問題，例如電源的選擇、電源的選擇以及將設(shè)計劃分為不同的電源域，這些電源域可以單獨控制以最大限度地降低功耗。圖 2 顯示了使用 RE01 的能量收集系統(tǒng)中電源管理的電路配置。雖然我們可能希望完全取消電池使用，但電池仍然具有一些優(yōu)勢，例如更高的功率密度，因此可能仍需要小型可充電電池。

圖2：能量收集系統(tǒng)中的電源管理電源電路配置

在使用能量收集電源的應(yīng)用中選擇要使用的組件時，請務(wù)必牢記以下標準。應(yīng)根據(jù)每個設(shè)備的電氣額定值進行選擇。

應(yīng)選擇發(fā)電元件、二次電池和存儲電容器以及調(diào)節(jié)器、負載開關(guān)和外圍 LSI，使得發(fā)電/累積和功耗的輸入/輸出為正。

各種組件的選擇標準如下所示。

發(fā)電元件（連接到 RE01 上的 VSC_VCC 引腳）

表1顯示了發(fā)電元件的選擇標準?？梢赃B接到該設(shè)備的發(fā)電元件包括太陽能電池、珀耳帖元件和振動發(fā)電元件。當輸出電壓和輸出電流落在能量收集控制電路（以下簡稱“EHC 電路”）的電氣特性范圍內(nèi)時，該元件可以直接連接到 VSC_VCC 引腳。當輸出電壓和電流超出此范圍時，必須加裝DC/DC轉(zhuǎn)換器等電壓轉(zhuǎn)換電路，或整流電路。

發(fā)電元件分為作為電流源使用的元件和作為電壓源使用的元件。

當前來源：太陽能電池。

電壓源：珀耳帖元件、振動發(fā)電元件、DC/DC轉(zhuǎn)換器等恒壓源。

當連接到電壓源時，必須在電壓源和 VSC_VCC 引腳之間插入一個電阻。通過以這種方式插入電阻器，流入 VSC_VCC 引腳的電流值被限制如下。

電流值 =（電壓源輸出電壓 - VSC_VCC 電壓）/插入電阻值

在 RE01 中，VSC_VCC 和 VBAT 之間存在大約 100 Ω 的導(dǎo)通電阻，存在于插入的電阻器和電池之間。電流源不需要電阻器。RE01 的情況下，輸出電流和輸出電壓必須滿足以下關(guān)系。

電流源的情況：

對于 10 mA 的輸出電流，輸出電壓必須為 3.6 V 或更低。

對于 3 μA 的輸出電流，輸出電壓必須為 2.62 V 或更高。

電壓源的情況：

輸出電壓為 3.6 V 或更低，輸出電流為 10 mA 或更低。

輸出電壓為 2.62 V 或更高，輸出電流為 3 μA 或更高。

表 1：發(fā)電元件選擇標準和連接示例

發(fā)電元件引腳處的電容器（連接到 VSC_VCC 引腳）

連接發(fā)電元件時，輸出電壓為直流電壓，因此應(yīng)將表2所示的電容連接到發(fā)電元件連接引腳。在交流電壓的情況下，應(yīng)根據(jù)評估進行確定。

表2：發(fā)電元件連接管腳電容選擇標準

存儲電容（連接到 VCC_SU 引腳）

表 3 顯示了 VCC_SU 所需存儲電容器的選擇標準。該電容器的值根據(jù)使用環(huán)境的溫度而變化。

-40°C 至 60°C：100 μF。

~40°C 至 85°C：150 μF。

電容器應(yīng)從以下電容器類型中選擇。

鉭電容。

鋁電解電容器。

多層陶瓷電容器。

應(yīng)使用等效串聯(lián)電阻 (ESR) 最多為幾歐姆左右的電容器。如果充電電流增加到大約 10 mA，應(yīng)使用低 ESR 的電容器。應(yīng)該注意的是，鋁電解電容器往往具有較高的 ESR。

6V左右的耐壓就足夠了，但使用耐壓低的電容器時，絕緣電阻低，容量對電壓的依賴性增大，因此選擇電容器時必須慎重。

鉭電容和鋁電解電容往往絕緣電阻低，成為待機電流增加的原因，因此在對待機電流敏感的系統(tǒng)中必須謹慎使用。當需要降低待機電流時，可在VCC_SU處使用耐壓幾十伏的陶瓷電容。

表3：儲能電容選擇標準及接線示例

二次電池（連接到 VBAT_EHC 引腳）

表 4 顯示了二次電池的選擇標準。表中所示的二次電池可以連接到 VBAT_EHC 引腳。此外，還可以使用超級電容器。EHC 電路執(zhí)行恒壓充電。當連接電流源時，可用于充電的電流是不超過電池充電電壓的電流。

NiMH 電池應(yīng)與串聯(lián)的兩節(jié)電池一起使用。為了保持電池平衡，必須始終使用兩節(jié)相同類型的電池。充電電流應(yīng)約為標稱電池容量 (C/10) 的 1/10。

當使用二次電池（VBAT）充電電壓選擇位OFS1.VBATSEL = 0（VBAT = 2.6 V）的設(shè)置，并通過10 mA作為電池充電電流時，為了防止電池電壓下降，電池輸出阻抗（內(nèi)阻）建議為 10Ω 或更低。如果不可避免地使用輸出阻抗高于10Ω的電池，則應(yīng)將充電電流調(diào)整到較小的值，以免發(fā)生電壓下降。

當使用設(shè)置 OFS1.VBATSEL = 0 (VBAT = 3.0 V) 時，充電電流應(yīng)設(shè)置為 6 mA 或更小。這是為了防止 VBAT_EHC 電壓上升到超過推薦的工作電壓。

表 4：二次電池選擇標準和連接示例

負載開關(guān)（連接到 RE01 的 VCC 引腳）

剛剛發(fā)電后，必須避免向連接到負載開關(guān)的外圍 LSI 供電。如果在發(fā)電開始后立即向外圍 LSI 供電，則可能會流過浪涌電流或較大的復(fù)位電流，從而阻礙能量收集的啟動。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)選擇負載開關(guān)，以便在啟動后立即輸出低電平，即使輸出控制引腳（其名稱因制造商而異）處于斷開狀態(tài)。此外，應(yīng)選擇具有盡可能小的關(guān)斷泄漏電流的負載開關(guān)。

穩(wěn)壓器（連接到負載開關(guān)輸出）ISL9122

應(yīng)選擇浪涌電流和靜態(tài)電流較小的穩(wěn)壓器。推薦使用低 Iq 或類似的 Renesas ISL9122。

外圍 LSI（連接到穩(wěn)壓器輸出）

應(yīng)選擇在待機和運行期間的浪涌電流和消耗電流盡可能小的 LSI。

軟件設(shè)計

表 5 描述了在不同狀態(tài)下管理電源管理所需的軟件概要。為了構(gòu)建半永久性不需要電池維護的系統(tǒng)，必須在以下每種情況下適當切換運行負載并調(diào)整能量輸入/輸出平衡。

表 5：軟件在不同狀態(tài)下的電源管理

本文展示了如何通過仔細的系統(tǒng)設(shè)計和組件選擇來解決有關(guān)使用能量收集電源的一些問題。

我們真的不能繼續(xù)使用傳統(tǒng)電池技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，因為地球不能等待，我們也不能。

對于許多遙感應(yīng)用，能量收集的使用不僅減少或消除了對電池的需求，而且還具有其他優(yōu)勢，例如顯著延長產(chǎn)品壽命和不再需要定期產(chǎn)品維護。

審核編輯 黃昊宇