當(dāng)生物電路開始進(jìn)入我們的產(chǎn)品時(shí)，我們需要喂它們。想象一下喂你的iPad吧。在此之前，我們的技術(shù)依賴于通過線路，電池和發(fā)電機(jī)提供的電能。

但正如T. Henry Morray所說，“世界處于能源之?！保芰渴占?a target="_blank">工程師終于開始服用仔細(xì)看看我們周圍的能源，我們可以利用。雖然像Morray和Tesla這樣的人追求并展示了現(xiàn)代科學(xué)剛剛開始為群眾解開的回避零點(diǎn)能量，輻射能量和真空能量，但是能量收集工程師專注于更具體和易于理解的商業(yè)來源，如振動(dòng)，光，熱電和EMR/RF。

本文將介紹不同類型能量收集源的能量分布，并在Cymbet能量收集評(píng)估套件中查看“引擎蓋下”。該套件可接收來自太陽能，熱能，EM/RF和振動(dòng)源的能量。然后它調(diào)節(jié)能量為公司的固態(tài)可充電電池充電，這反過來在我們的電路需要時(shí)提供電力。

理解基線

不同的采收能源具有非常不同的特征。因此，對(duì)它們的充分了解將讓我們?cè)O(shè)計(jì)出更好的方法來捕獲它們的能量而不會(huì)浪費(fèi)。

光伏太陽能電池是最常見和最廣泛部署的能量收集設(shè)備。它們具有各種尺寸和額定功率，并提供與其敏感波長處的入射輻射強(qiáng)度成比例的可變DC功率電平。

總體而言，有三種主要類型的光伏太陽能電池可用，基于單晶，多晶和非晶結(jié)晶材料。

單晶和多晶電池是最古老的類型，基于晶體形式的硅半導(dǎo)體。它們?cè)诠庹障禄诳昭ê碗娮訉?duì)的分離實(shí)現(xiàn)光電效應(yīng)（見圖1）。

圖1：隨著電子遷移在電極側(cè)，產(chǎn)生凈正電荷，使電流流動(dòng)。

單晶和多晶光伏電池在陰影或部分陰影時(shí)可能會(huì)失去效率，但即使在較高溫度下也能正常工作，使其成為外太陽能的理想選擇。無定形光電池是能量收集的理想選擇，因?yàn)樗鼈兛梢宰龅煤鼙。ㄐ∮?μM）。另外，它們可以粘附或沉積在剛性金屬或柔性塑料上作為載體基底。它們使用不規(guī)則的原子排列（見圖2），允許更高的光吸收，從而產(chǎn)生更多的能量。非晶硅光電電池在部分遮光中也能更好地工作，使其適用于室內(nèi)應(yīng)用，特別是因?yàn)樗鼈冊(cè)谳^高溫度下會(huì)失效。

圖2：非晶硅電池的不規(guī)則形狀允許更高的光吸收，使這些電池變得非常薄，甚至靈活。

小我們可以直接連接到我們的應(yīng)用中的分立和串行/并聯(lián)晶圓可以隨時(shí)提供。例如，三洋的非晶AM-5610CAR為25 x 20 mm，完全照明時(shí)在2.4 mA穩(wěn)定電流下產(chǎn)生5.1伏電壓。這足以運(yùn)行一個(gè)小型設(shè)備并同時(shí)為電池充電。

其中一些電池可以提取相當(dāng)多的電量?？纯慈驛M-8702CAR。這種分立導(dǎo)線，扁平，剛性非晶光電太陽能電池被串行化，以超過17 mA的電壓輸出6伏電壓。 -100至+ 600C的額定值足以滿足大多數(shù)戶外應(yīng)用以及室內(nèi)照明的室內(nèi)設(shè)備。

不要完全折扣晶體電池用于收割應(yīng)用。有一些漂亮的小晶體電池，如IXYS公司的KXOB22-01X8，可以表面貼裝，在4.4 mA時(shí)輸出令人印象深刻的4.7伏電壓。同樣，IXYS公司提供小型單片表面貼裝電池，如CPC1831N，采用8引腳SOIC封裝。這部分產(chǎn)生了令人印象深刻的8伏電壓，但電流較低，為25μA（見圖3）。

圖3：小型表面貼裝封裝光伏電池為低功率電路提供能量（由IXYS公司提供）。

雖然光是最廣泛使用的環(huán)境能量形式，但其他光開始進(jìn)入。

振動(dòng)沖擊和沖擊類型的能量收集通常使用壓電換能器將物理分子運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為可以捕獲的電脈沖。動(dòng)態(tài)范圍為毫伏至數(shù)百伏，因此必須采用電路來捕獲和保護(hù)高壓尖峰。

并非每個(gè)應(yīng)用都能利用沖擊和振動(dòng)來獲取能量，但卡車等應(yīng)用底盤傳感器，機(jī)電工廠機(jī)器傳感器和執(zhí)行器經(jīng)常暴露于沖擊波和/或穩(wěn)定的高水平振動(dòng)。這里可以使用壓電傳感器。以MIDéTechnologyCorporation的V25W壓電能量收集機(jī)為例。這種靈活的平面設(shè)備對(duì)60至140 Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)非常敏感，使其能夠根據(jù)表面的偏轉(zhuǎn)和變形實(shí)時(shí)捕獲能量。例如，這對(duì)于50和60 Hz旋轉(zhuǎn)機(jī)器來說是理想的，否則其振動(dòng)會(huì)完全浪費(fèi)能量。

由于壓電能量收集的交流和脈沖特性，需要進(jìn)行整流和濾波，因此電路保護(hù)，因?yàn)槊}沖沖擊可以產(chǎn)生非常高的電壓。沖擊和振動(dòng)的能量分布幾乎與太陽能電池相反（見圖4）。對(duì)于壓電電池，能量捕獲和量化更難確定。

圖4：壓電采集器的能量增加，直到其工作電壓達(dá)到其開路電壓的一半左右（左圖）。將此與標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池的能量曲線進(jìn)行比較，當(dāng)電流為短路電流的百分比時(shí)，最佳功率會(huì)出現(xiàn)（右圖）。

對(duì)于壓電傳感器，您需要使用尖端質(zhì)量，頻率表和數(shù)據(jù)表中的曲線，以估算開路和工作電壓。請(qǐng)注意，加速度也可以用作壓電能量傳感器的能量來源。

Digi-Key網(wǎng)站上的壓電能量收集訓(xùn)練模塊討論了可用于將電力從壓電設(shè)備傳輸?shù)诫娐贰?/p>

用于能量收集的熱電源尚未像光伏和壓電一樣受歡迎，但它們具有很大的潛力。兩種類型的設(shè)備通過溫度變化產(chǎn)生功率：熱電偶和珀耳帖效應(yīng)設(shè)備。雖然兩種器件都采用不同金屬結(jié)的原理來產(chǎn)生電壓電位，但熱電偶主要用于溫度傳感器，因?yàn)樗鼈儺a(chǎn)生非常低的電流。它們可以大規(guī)模并聯(lián)以增加產(chǎn)量，但到目前為止，這還沒有被證明是一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。另一方面，Peltier效應(yīng)器件主要用于加熱和冷卻應(yīng)用，但是效果是對(duì)稱的。這意味著只要您保持一側(cè)冷卻而另一側(cè)加熱，它將產(chǎn)生與雙方溫度差成比例的功率。

幸運(yùn)的是，Peltier效應(yīng)器件有各種各樣的尺寸和配置。例如，Laird Technologies的較小的分立式430290-501提供了不對(duì)稱的側(cè)面，可以處理大約700C的溫差（見圖5）。來自CUI的較大的CPM-2F組件是預(yù)制的，通過直接粘合到陶瓷基板上的鋁板最大限度地吸收熱量。

圖5：基于熱電模塊的熱電模塊Peltier效應(yīng)器件通常用于電子加熱和冷卻，但由于效果是對(duì)稱的，它們也可用于提取溫度差異的電能（Laird Technologies提供）。

熱電器件還沒有作為能量采集器被廣泛采用，因此數(shù)據(jù)表通常不提供使用它們從環(huán)境中提取電能的詳細(xì)信息。這些器件通常在低電壓下輸出更高的電流，并且需要調(diào)節(jié)和電壓轉(zhuǎn)換才有用。它們出現(xiàn)在混合太陽能管中，除了發(fā)電之外還充當(dāng)乙二醇加熱器，因此我們應(yīng)該隨著時(shí)間的推移看到更多的能量收集應(yīng)用信息。

最后開始獲得牽引力的能量收集電源是可以捕獲到電子電路的RF/EM輻射。雖然我們已經(jīng)看到這種技術(shù)以有限的方式用于RF ID系統(tǒng) - 從讀取器獲取RF能量并提取足夠的功率來加載調(diào)制輸出信號(hào) - 但捕獲的能量數(shù)量還不足以為節(jié)能微控制器供電和通訊鏈接。

然而，像無線充電系統(tǒng)這樣的近場輻射系統(tǒng)可以。天線基本上是一個(gè)電感器，充當(dāng)變壓器的一半。物理隔離的發(fā)射器輻射AC場，天線可以拾取，整流并用作電源。 PC板薄餅螺旋天線可用于避免更昂貴和沉重的電感（見圖6）。

圖6：PC板平面天線可以產(chǎn)生輻射的交流電場，電感器或另一個(gè)PC平面天線可以從中獲取能量。這為一些能量收集應(yīng)用創(chuàng)造了低成本的近場電源。

雖然能源確實(shí)在我們周圍，甚至可以被捕獲，但是如何處理它是我們聰明的追求能夠支付的地方關(guān)閉。有效的功率轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)，充電和存儲(chǔ)以及提供捕獲功率的能力是我們的設(shè)計(jì)發(fā)揮作用的地方。

基礎(chǔ)技術(shù)

Cymbet制造和銷售固體狀態(tài)可充電電池，可以表面安裝到小型PC板上，用于低功耗，備用電池，RTC和SRAM保留應(yīng)用。所謂的EnerChips具有平坦穩(wěn)定的電壓曲線;高充電/放電循環(huán)壽命（通常為5,000）;自我放電率非常低（通常為五年）;

EnerChips是基于一種新的固體薄膜，制作為晶圓并像集成電路芯片一樣封裝（見圖7）。可以使用標(biāo)準(zhǔn)的回流焊技術(shù)，并且沒有可以泄漏，干燥或著火的腐蝕性易燃溶劑。由于EnerChips采用環(huán)保材料制造，因此沒有特殊的處理要求。這也使它們非常適合小型密封設(shè)計(jì)，如可穿戴醫(yī)療設(shè)備。

圖7：EnerChips就像標(biāo)準(zhǔn)IC一樣制造可能泄漏的溶劑和易燃電解質(zhì)（由Cymbet提供）。

EnerChips的評(píng)級(jí)為每小時(shí)12,50和100μA，并且可以將公司的充電控制器集成到一個(gè)封裝中。這意味著您可以設(shè)計(jì)自己的充電/放電能量接口控制器或使用Cymbet的CBC915 EnerChip能量處理器，它基本上是一個(gè)專用控制器和定序器，用于控制和監(jiān)控電池的充電速率，放電速率和狀態(tài)。它還支持串聯(lián)和并聯(lián)配置的多個(gè)電池，以提供更高的功率容量。

由于電池具有如此平坦的放電曲線，因此很難知道它們僅僅從電壓讀數(shù)中保持多少能量。需要主動(dòng)監(jiān)測和氣體計(jì)量來解決這個(gè)問題。 Cymbet的CBC915可以解決這個(gè)問題。

如果您正在設(shè)計(jì)自己的充電控制器，您需要實(shí)施精確的4.1伏充電調(diào)節(jié)器并監(jiān)控放電速率，以免過快放電。電壓過高，容量降低;電壓太低，不會(huì)完全充電。此外，需要密切監(jiān)控端子電壓，如果電池電壓降至3.0伏或更低，用戶的設(shè)計(jì)必須消除任何負(fù)載。這也會(huì)損壞電池。再一次，CBC915負(fù)責(zé)這一點(diǎn)。

單獨(dú)的電池輸出額定電壓為3.8伏，沒有嵌入式充電控制器。當(dāng)使用集成充電控制器時(shí)，電池輸出穩(wěn)壓且可立即使用的3.3伏電壓 - 非常適用于當(dāng)今的許多設(shè)計(jì)。

數(shù)據(jù)手冊(cè)詳細(xì)介紹了理想的放電率。電池。通過這種方式，您可以知道是否需要多個(gè)并聯(lián)，尤其是在使用更高電流消耗的脈沖時(shí)刻（例如RF應(yīng)用）時(shí)。 Cymbet提供了一份應(yīng)用說明，介紹了如何估算電池壽命以及RF等脈沖放電應(yīng)用的設(shè)計(jì)?？傮w而言，當(dāng)放電率較低時(shí)，電池性能和壽命最佳。

套件價(jià)值千言萬語

EnerChips的小尺寸和特性使其具有低功耗電子設(shè)備，例如無線傳感器，可以從當(dāng)?shù)丨h(huán)境中收集足夠的環(huán)境能量以自行運(yùn)行。為了證明使用能量收集來收集能量并為EnerChips充電，Cymbet已經(jīng)提供了CBC-EVAL-09通用能量收集器評(píng)估套件（見圖8）。

圖8：能量收集器評(píng)估套件具有太陽能，EM/RF，熱和振動(dòng)能源接口，并包含公司的充電控制器芯片（由Cymbet提供）。

DIP開關(guān)設(shè)置配置電路板接受電源基本上有五個(gè)調(diào)理電路接口：高壓直流輸入，兩個(gè)高壓交流輸入，兩個(gè)低壓交流輸入和一個(gè)直流直流輸入（見圖9）。用于不同能量源的示例電路包括升壓轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)電荷泵和反激轉(zhuǎn)換器。 DC輸出端的固態(tài)開關(guān)允許CBC915控制器從充電狀態(tài)進(jìn)入放電狀態(tài)，并在有條件能量可用時(shí)自動(dòng)返回。還有一個(gè)低電池切斷開關(guān)，用于保護(hù)不應(yīng)低于3伏的電池。

圖9：橋式整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電高壓和低壓交流輸入;電荷泵，反激和升壓轉(zhuǎn)換器用于調(diào)節(jié)充電控制器芯片的能量，控制和監(jiān)控電池放電（圖片由Cymbet提供）。

拆包和連接

我收到了CBC-EVAL-09通用能量收集器評(píng)估套件并打開包括主板，示例光電池，扁平柔性電纜和CD ROM的內(nèi)容。在CD ROM上有這個(gè)評(píng)估套件的所有數(shù)據(jù)表，應(yīng)用說明和手冊(cè)，以及Cymbet提供的其他評(píng)估套件。

我喜歡100密耳的間距引腳頭，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘粋€(gè)簡單的接口。使用這些引腳，我能夠連接我自己的太陽能電池，以快速測試電路板。我也很喜歡電路板的布局 - 所有能量轉(zhuǎn)換電路都在左側(cè)，能量控制器芯片位于中心位置，每個(gè)引腳的測試點(diǎn)都可以輕松進(jìn)行探測。右側(cè)有嵌入式EnerChip CBC51100模塊，其中包含兩個(gè)50μA/小時(shí)的電池，一個(gè)CBC050可充電電池和一個(gè)CBC3150智能薄膜電池，其中包含電池和充電控制器。這提供了一個(gè)3.3伏，每小時(shí)100μA的電源，可以通過能量收集進(jìn)行充電，并在我的測試負(fù)載下放電。

DIP開關(guān)是微型的，所以我需要好的眼鏡來閱讀參考標(biāo)志，但手冊(cè)也有大尺寸的開關(guān)，按鈕，指示器和連接器的打印件，我可以參考。

我喜歡在按下一個(gè)小開關(guān)按鈕之前狀態(tài)LED不起作用。這使我能夠看到操作狀態(tài)，但不是為了點(diǎn)亮指示器而將功率拉開。當(dāng)控制器跟蹤最大功率時(shí)，三個(gè)狀態(tài)指示器讓我知道;當(dāng)保持電容充電時(shí);當(dāng)EnerChips收費(fèi)時(shí);當(dāng)輸出功率受到調(diào)節(jié)時(shí)。一個(gè)很好的功能是CB915找到輸入傳感器的最大峰值功率點(diǎn)并指示它已鎖定。

我也喜歡折疊的引腳測試點(diǎn)，我可以輕松地連接儀表。這讓我可以看到來自我的電源和負(fù)載的電池電壓，電容器電壓和輸入電壓。

隨著附帶的電池供電，我能夠看到1.39伏輸入被提升到4.02伏特EnerChips喜歡看（參見圖10）。充電電壓調(diào)節(jié)得越好，從EnerChips看到的性能就越好。

圖10：測試設(shè)置讓我很容易配置和連接各種能源設(shè)備并評(píng)估Cymbet提供的收獲和充電技術(shù)。

當(dāng)我嘗試從我的一個(gè)太陽能庭院燈中取出的太陽能電池時(shí)，我能夠看到它的輸出電壓低于所提供的太陽能電池的輸出電壓。幾秒鐘后，EC LED指示即使在較低電壓下EnerChip正在充電，再過幾秒鐘后，我看到MPPT LED指示燈閃爍，表明控制器已找到并鎖定在電池的最大功率點(diǎn)上。正在使用。

當(dāng)太陽落山時(shí)，我看到充電速度減慢了，但是電路仍在提取能量，并且仍在向電池發(fā)出電荷脈沖，盡管速度較慢。

我將熱電設(shè)備連接到接頭并計(jì)劃測試這個(gè)，并且我可以立即構(gòu)建一個(gè)可以控制和監(jiān)控兩個(gè)板的溫度的測試裝置。這將讓我描述不同溫度下的可用能量。