基于能量采集解決方案的現代技術(shù)破解“永動(dòng)機”的難題

在歷史上，永動(dòng)機一直被人們討論和研究，但是，很多人并不清楚這背后到底有什么意義。在人們的想象中，永動(dòng)機是一種機械裝置，它可以不停地自動(dòng)運動(dòng)，而且還可以舉起重物等，做一些有意義的事情。13世紀就有人就試圖想制造這種機械裝置，但是直到21世紀也沒(méi)有人真正制造出來(lái)?？茖W(xué)常識豐富的當下，人們當然明白這種機械是不可能制造出來(lái)的，原因是違反能量守恒定律和熱力學(xué)定律。然而，今天領(lǐng)先的環(huán)境能量采集技術(shù)賦能下，一些看起來(lái)更像“永動(dòng)機”的電子系統卻在生活或工業(yè)領(lǐng)域獲得普及應用，本文以ADI公司的環(huán)境能量采集技術(shù)的三個(gè)應用案例，解讀基于能量采集解決方案的現代技術(shù)實(shí)現“永動(dòng)機”的方案思路。

電網(wǎng)數據采集的最常見(jiàn)應用場(chǎng)景之一是被稱(chēng)為故障指示器的節點(diǎn)監控系統，當用電線(xiàn)路故障發(fā)生時(shí)，它會(huì )檢測并發(fā)送警報，使得線(xiàn)路工作人員能夠在最短時(shí)間內檢修故障設備。過(guò)去因為電力公司的預算和資源有限，面對高昂的累計采購成本和大量的經(jīng)常性維護工作，往往無(wú)法在龐大的電力基礎設施中部署更多故障指示器。

基于A(yíng)DP5091的環(huán)境能量采集電力線(xiàn)監測解決方案

為解決上述難題，ADI開(kāi)發(fā)了一種新型線(xiàn)路傳感器架構實(shí)現了有效的環(huán)境能量收集并管理多個(gè)電源，通過(guò)優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)現了超過(guò)90％的功率轉換效率。此外，具有寬動(dòng)態(tài)范圍和高壓擺率的低功耗運算放大器支持羅氏線(xiàn)圈架構，并以電流測量精度將磁場(chǎng)干擾降至最低，集成的ISM波段收發(fā)器執行RF通信并支持傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。該解決方案主要優(yōu)勢是能高效采集電能，而且只需更少的維護，并支持系統更快啟動(dòng)、功耗更低和運行更平穩。

其中核心芯片是ADP5091，提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉換，工作損耗為亞μW級別。利用內部冷啟動(dòng)電路，調節器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調節器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內正常工作。額外的150mA調節輸出可通過(guò)外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過(guò)檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內，從而保持穩定的DC-DC升壓轉換。在OCV動(dòng)態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調節點(diǎn)允許最大限度地提取采集器的能量。

基于塞貝克效應的溫差發(fā)電為低功耗可穿戴永續供電

溫差發(fā)電的工作原理基于塞貝克效應，通常由數百個(gè)N型和P型材料的柱體結構組成的熱電發(fā)生器，從電路上看它們通過(guò)串聯(lián)方式增加溫差電勢，而在傳熱方面通過(guò)并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當器件兩端存在溫差時(shí)，熱場(chǎng)驅動(dòng)載流子運動(dòng)并在回路中形成溫差電流，以此來(lái)輸出功率。利用由系統內溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運作尤其是低功耗電路設計的系統，讓一些無(wú)法使用電池，或是電力線(xiàn)的低功耗應用可以實(shí)現?，F在，甚至可以利用人體熱量為穿戴設備的傳感器供電。

以ADI高度集成的 DC/DC 轉換器LTC3108為例，其非常適合于收集和管理來(lái)自諸如TEG、熱電堆和小型太陽(yáng)能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個(gè)3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產(chǎn)生3.3伏電壓，在10度溫差時(shí)，大概就能產(chǎn)生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。如果將其用于可穿戴設備，人體的體表溫度可能有35度，即使環(huán)境溫度有25度，也能有10度的溫差，更大溫差能夠產(chǎn)生更大的功率，而且是可以持續不斷的為可穿戴設備供電，實(shí)現真正的“免充電”。

LTC3108 TEG 能量采集裝置的應用

采集環(huán)境無(wú)線(xiàn)電能量的無(wú)電池供電解決方案

無(wú)線(xiàn)功率傳輸(WPT)系統由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射(Tx)電路（包括發(fā)射線(xiàn)圈）和接收(Rx)電路（包括接收線(xiàn)圈）。與典型的變壓器系統非常相似，發(fā)射線(xiàn)圈中產(chǎn)生的交流電通過(guò)磁場(chǎng)感應在接收線(xiàn)圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統不同的是，原邊（發(fā)射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

目前大多數無(wú)線(xiàn)功率傳輸應用都采用無(wú)線(xiàn)電池充電器配置。但是，如果特定應用根本沒(méi)有電池，取而代之的是，當無(wú)線(xiàn)電源可用時(shí)，只需提供一個(gè)穩壓的電壓軌，遠程傳感器、計量、汽車(chē)診斷和醫療診斷領(lǐng)域，此類(lèi)應用的例子極為常見(jiàn)。如果該遠程傳感器僅需要用戶(hù)在其附近時(shí)給出讀數，則可按需進(jìn)行無(wú)線(xiàn)供電。

LTC3588-1就是一款納安功耗能量收集電源解決方案，專(zhuān)為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化，適合于無(wú)線(xiàn)電波環(huán)境能量采集。它內置了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉換器，用于將能量從一個(gè)輸入存儲器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個(gè)可支持高達 100mA 負載的穩定電壓。下圖顯示了采用LTC3588-1的完整發(fā)射端和接收端WPT解決方案(值得一提的是，該方案供電的距離適合2mm以?xún)鹊膽?。

WPT采用LTC3588-1提供穩定的3.3 V電壓軌