無(wú)處不在的綠色能源應用

　　在我們周?chē)写罅凯h(huán)境能源，傳統的能量收集方法一直是通過(guò)太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過(guò)，新的能量收集工具允許我們利用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，可用來(lái)給電路供電的“平均收集”能量之多少才是更重要。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉換成電，壓電組件轉換機械振動(dòng)，光伏組件轉換太陽(yáng)光 （或任何光源），通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉換潮氣的能量。這使給遠程傳感器供電或者給電容器或薄膜電池等存儲器件充電成為可能，因此微處理器或發(fā)送器可以無(wú)需本地電源，而從遠程地點(diǎn)供電。

　　這又為凌力爾特的能量收集產(chǎn)品用作潛在的解決方案創(chuàng )造了機會(huì )。下表 1 說(shuō)明了我們在這一領(lǐng)域提供的產(chǎn)品

　　表 1：凌力爾特面向可再生能源應用的 IC 解決方案

　　表 1 中列出的每一種產(chǎn)品都有特定的功能和性能標準，這使每一種產(chǎn)品都可以根據環(huán)境能源的類(lèi)型，成為切實(shí)可行的最佳解決方案。概括而言，這些包括：

　　1、低備用靜態(tài)電流：典型值低于 6μA，最低為 450nA

　　2、低啟動(dòng)電壓：低至 20mV

　　3、高輸入電壓能力：高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

　　4、 能處理 AC 輸入

　　5、多輸出能力和自主系統電源管理

　　6、自動(dòng)極性工作

　　7、 針對太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 （MPPC）

　　8、能從低至 1°C 的溫度差中收集能量

　　9、外部組件數最少、占板面積緊湊的解決方案

　　驅動(dòng)增長(cháng)的市場(chǎng)力量

　　能源法規、運營(yíng)成本上升和越來(lái)越多的“綠色”運動(dòng)驅動(dòng)著(zhù)接受面向能量收集應用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) （WSN）。盡管以前的 WSN 產(chǎn)品 （工業(yè)機械、農業(yè)、結構健康監測等） 留下了一個(gè)四分五裂的市場(chǎng)，但是為采用 IP 平臺統一傳感器網(wǎng)絡(luò )的跨行業(yè)努力正在進(jìn)行中，以簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)、吸引新的廠(chǎng)商進(jìn)入市場(chǎng)并鼓勵創(chuàng )新。請注意：WSN 還可能指的是無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，因此 WSN 究竟指的是單個(gè)還是多個(gè)配置，就視上下文而定。

　　WSN 是一種突破性技術(shù)，可降低多達 80% 的安裝費用，并支持種類(lèi)繁多和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )不可能支持的應用，使建筑物更環(huán)保、更智能。由于幾乎在任何地方都有可能安裝傳感器，所以任何規模的建筑物都可以?xún)?yōu)化其能耗、改善安全性并降低運營(yíng)費用。請注意：在建筑物中，HVAC 使用了三份之二現已安裝的 WSN，其次是照明和門(mén)禁控制。據預測，未來(lái) 5 年內，將安裝 1500 萬(wàn)個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) （數據來(lái)源：ON World Inc.），這些傳感器節點(diǎn)將需要由電池或環(huán)境能源供電，也有可能由二者組合供電。

　　iRAP 公司最近公布的一份研究報告對上述增長(cháng)預測提供了支持，該報告題為“EN105：面向無(wú)線(xiàn)交換器和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的超低功率 （微瓦） 能量收集”，報告中寫(xiě)道，2009 年超低功率能量收集器件的全球市場(chǎng)估計為 7950 萬(wàn)美元。iRAP進(jìn)一步估計，在 2014 年該市場(chǎng)將達到 12.5 億美元，平均年增長(cháng)率 （AAGR） 為 73.6%。

　　因此，我們認為，在該領(lǐng)域或可再生能源及能量收集領(lǐng)域，滿(mǎn)足特定解決方案需求的產(chǎn)品有非常大的市場(chǎng)。這就是凌力爾特公司投入時(shí)間和資源開(kāi)發(fā)特定產(chǎn)品的原因，這些產(chǎn)品具備合適功能，能實(shí)現今天切實(shí)可行且經(jīng)濟實(shí)惠的解決方案。

　　“綠色”電源的商機

　　2012 年，任何以“綠色”能源或能量收集為目標的產(chǎn)品都將有增長(cháng)機會(huì )。能源成本和對環(huán)境的擔憂(yōu)以及延長(cháng)移動(dòng)設備電池壽命的需求都導致人們專(zhuān)注于針對廣泛的應用實(shí)現電源優(yōu)化。我們的高能效產(chǎn)品使客戶(hù)能以更高的效率轉換能量、消耗更低的功耗并延長(cháng)電池壽命。

　　隨著(zhù)消費者尋找可降低能耗和可在戶(hù)外度過(guò)更長(cháng)時(shí)間的途徑，太陽(yáng)能供電的便攜式電子設備市場(chǎng)持續增長(cháng)。由于太陽(yáng)能電源易變且不可靠，所以幾乎所有太陽(yáng)能供電的設備都具備可再充電電池。顯然，人們的目標是，抽取盡可能多的太陽(yáng)能，以給這類(lèi)電池快速充電，并保持他們的充電狀態(tài)。

　　然而，太陽(yáng)能電池本身是低效率器件，不過(guò)它們確實(shí)有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，因此在這一點(diǎn)上工作是一個(gè)顯然的設計目標。問(wèn)題是，最大輸出功率的 I - V 特性隨照明度而變。單晶太陽(yáng)能電池的輸出電流與照明強度成正比，而其在最大功率輸出點(diǎn)上的電壓是相對恒定的。就給定照明強度而言，最大功率輸出發(fā)生在每條曲線(xiàn)的拐點(diǎn)處，在這一點(diǎn)上，電池從恒定電壓器件轉變?yōu)楹愣娏髌骷?。因此，當照明度不能滿(mǎn)足充電器的滿(mǎn)功率需求時(shí)，從太陽(yáng)能電池板高效率地抽取能量的充電器設計必須能控制太陽(yáng)能電池板的輸出電壓，使其達到最大功率點(diǎn)電壓。

　　“綠色電源”不僅限于通過(guò)能量收集產(chǎn)生能量，它同時(shí)還能用較少的能量完成同樣的功能。一個(gè)已產(chǎn)生重要影響的領(lǐng)域是數字系統電源管理。如果數字電源設計正確，那么它就能降低數據中心功耗、加快產(chǎn)品上市、擁有卓越的穩定性和瞬態(tài)響應并提高系統的總體可靠性，例如在網(wǎng)絡(luò )設備中。

　　網(wǎng)絡(luò )設備的系統設計師不得不提高系統的數據吞吐量和性能，并增加功能。同時(shí)，他們還面臨著(zhù)降低系統總體功耗的壓力。數據中心中的挑戰是，通過(guò)重新調整工作流并將作業(yè)轉移到未充分利用的服務(wù)器上，使其他服務(wù)器能停機，以此來(lái)降低總體功耗。為了滿(mǎn)足這些要求，知道最終用戶(hù)設備的功耗是必需的。正確設計的數字電源管理系統能為用戶(hù)提供功耗數據，從而允許做出智能能源管理決策。

　　此外，數字電源系統管理的一個(gè)主要好處是降低設計成本，并加快產(chǎn)品上市。復雜的多軌系統可以利用一個(gè)綜合性和具備直覺(jué)式圖形用戶(hù)界面 （GUI） 的開(kāi)發(fā)環(huán)境，高效率地開(kāi)發(fā)出來(lái)。這類(lèi)系統可通過(guò) GUI 而不是焊接到“白色導線(xiàn)”定位點(diǎn)來(lái)進(jìn)行更改，因此還能簡(jiǎn)化在線(xiàn)測試 （ICT） 和電路板調試。另一個(gè)好處是，由于可以使用實(shí)時(shí)遙測數據，所以有可能預測電源系統故障并采取預防性措施。也許最重要的是，具備數字管理功能的 DC/DC 轉換器允許設計師開(kāi)發(fā)“綠色”電源系統，這類(lèi)系統能在負載點(diǎn)、電路板、機架甚至安裝階段以最低能耗滿(mǎn)足目標性能 （計算速度、數據速率等） 要求，從而在產(chǎn)品的壽命期內，降低了基礎設施成本和總體擁有成本。

　　凌力爾特公司的 LTC3880 是一款雙輸出同步降壓型 DC/DC 電流模式控制器，具備集成的功率 FET 柵極驅動(dòng)器和可通過(guò) I2C PMBus 使用的全面電源管理功能。該產(chǎn)品的精確基準和溫度補償電流模式模擬控制環(huán)路提供 ±0.5% 的 DC 準確度，非常容易的補償 （已校準以不受工作條件影響）、逐周期限流、快速和準確的均流、以及電壓與負載瞬態(tài)響應，而且沒(méi)有任何在其他運用“數字”控制的產(chǎn)品中發(fā)現、與 ADC 量化有關(guān)的誤差。LTC3880 包括一個(gè) 16 位數據采集系統，該系統提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數字回讀。該器件還提供通過(guò)中斷標記啟動(dòng)的故障記錄功能以及“黑匣子”記錄器，該記錄器存儲發(fā)生故障前轉換器的工作狀態(tài)。凌力爾特公司的 LTpowerPlay? 開(kāi)發(fā)軟件和 GUI 接口方便了多軌系統的開(kāi)發(fā)。

　　能量收集能提供多大的功率？

　　最先進(jìn)和現成有售的能量收集產(chǎn)品 （例如在振動(dòng)能量收集和室內光伏電池領(lǐng)域） 在典型工作條件下產(chǎn)生的功率為毫瓦量級。盡管這種量級的功率也許看似有限，但是多年來(lái)能量收集組件的運行可能意味著(zhù)，就能源供應和每單位能量成本兩方面而言，這類(lèi)產(chǎn)品與長(cháng)壽命的主電池是大致相當的。此外，采用能量收集技術(shù)的系統一般將能在電量耗盡之后再充電，而一些由主電池供電的系統是不可能做到的。

　　環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的 RF 信號、或僅是其他任何可通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。下表 2 說(shuō)明了可從不同能源產(chǎn)生多少能量。

　　表 2：能源及其能產(chǎn)生的能量

　　在大量應用中，這樣的能量值就系統部署而言是有意義的。以下僅舉出幾個(gè)應用例子：

　　1） 飛機腐蝕傳感器

　　2） 自動(dòng)調光窗

　　3） 橋梁監視器

　　4） 樓宇自動(dòng)化

　　5） 電量表

　　6） 氣體傳感器

　　7） 健康監視器

　　8） HVAC 控制

　　9） 電燈開(kāi)關(guān)

　　10） 遠程管道監視器

　　11） 手表

　　12） 水表

　　結論

　　能量收集作為可替代能源用在“綠色電源”中的商機很多。這類(lèi)商機的一個(gè)很好的例子是太陽(yáng)能供電的