當(dāng)今的電子控制系統(tǒng)越來(lái)越依賴遙感來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠和高效的運(yùn)行，而智能城市和智能工廠正在推動(dòng)對(duì)電池供電的智能傳感器的需求不斷增長(zhǎng)。通常，這些電池供電的傳感器測(cè)量一些環(huán)境參數(shù)并通過(guò)低功率無(wú)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(guò)去幾年一直是討論的主要話題，但直到現(xiàn)在還沒(méi)有真正考慮過(guò)如何為這些傳感器供電的問(wèn)題。然而，隨著對(duì)地球命運(yùn)以及我們?nèi)绾握疹櫵膿?dān)憂日益增加，人們不僅擔(dān)心我們將如何為這些設(shè)備供電，而且還擔(dān)心我們將使用什么材料以及這將對(duì)我們生活的世界產(chǎn)生什么影響。

當(dāng)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(jiàn)。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(shí)處理它們。

對(duì)這些材料的需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，僅生產(chǎn)電動(dòng)汽車電池所需的材料的需求預(yù)計(jì)將比目前全球總產(chǎn)能高出許多倍。這些材料從哪里來(lái)，成本是多少？已經(jīng)有針對(duì)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(jì)該礦生產(chǎn)了全球約 60% 的鈷供應(yīng)。我們真的能負(fù)擔(dān)得起這種電池供電設(shè)備的爆炸式增長(zhǎng)嗎？

世界現(xiàn)在需要的是新一代產(chǎn)品，它們可以從當(dāng)?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(dāng)?shù)丨h(huán)境獲取的能量——無(wú)論是以陽(yáng)光、溫差、振動(dòng)、發(fā)電機(jī)（水輪機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)）、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(chǔ)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(jì)使用能量收集電源的系統(tǒng)所涉及的一些基本問(wèn)題。我們將主要考慮圍繞設(shè)計(jì)的硬件問(wèn)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(gè)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(duì)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(jì)超出了本文的范圍，但這也是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)槟仨毱胶庑枰獔?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(jì)，并用能量收集源替換電源。在這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)的能量收集應(yīng)用程序的優(yōu)勢(shì)在于，通過(guò)執(zhí)行電源管理，無(wú)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(yùn)行。

圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)，我們必須考慮很多問(wèn)題，例如電源的選擇、電源的選擇以及將設(shè)計(jì)劃分為不同的電源域，這些電源域可以單獨(dú)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(shì)，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(shí)，請(qǐng)務(wù)必牢記以下標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)每個(gè)設(shè)備的電氣額定值進(jìn)行選擇。

應(yīng)選擇發(fā)電元件、二次電池和存儲(chǔ)電容器以及調(diào)節(jié)器、負(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)?？梢赃B接到該設(shè)備的發(fā)電元件包括太陽(yáng)能電池、珀耳帖元件和振動(dòng)發(fā)電元件。當(dāng)輸出電壓和輸出電流落在能量收集控制電路（以下簡(jiǎn)稱“EHC 電路”）的電氣特性范圍內(nèi)時(shí)，該元件可以直接連接到 VSC_VCC 引腳。當(dāng)輸出電壓和電流超出此范圍時(shí)，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(dāng)前來(lái)源：太陽(yáng)能電池。

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

當(dāng)連接到電壓源時(shí)，必須在電壓源和 VSC_VCC 引腳之間插入一個(gè)電阻。通過(guò)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(duì)于 10 mA 的輸出電流，輸出電壓必須為 3.6 V 或更低。

對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(píng)估進(jìn)行確定。

表2：發(fā)電元件連接管腳電容選擇標(biāo)準(zhǔn)

存儲(chǔ)電容（連接到 VCC_SU 引腳）

表 3 顯示了 VCC_SU 所需存儲(chǔ)電容器的選擇標(biāo)準(zhǔn)。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(shí)，絕緣電阻低，容量對(duì)電壓的依賴性增大，因此選擇電容器時(shí)必須慎重。

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

表3：儲(chǔ)能電容選擇標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。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(jí)電容器。EHC 電路執(zhí)行恒壓充電。當(dāng)連接電流源時(shí)，可用于充電的電流是不超過(guò)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(biāo)稱電池容量 (C/10) 的 1/10。

當(dāng)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(guò)10 mA作為電池充電電流時(shí)，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(dāng)使用設(shè)置 OFS1.VBATSEL = 0 (VBAT = 3.0 V) 時(shí)，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(guò)推薦的工作電壓。

表 4：二次電池選擇標(biāo)準(zhǔn)和連接示例

負(fù)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(fù)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(huì)流過(guò)浪涌電流或較大的復(fù)位電流，從而阻礙能量收集的啟動(dòng)。為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)選擇負(fù)載開關(guān)，以便在啟動(dòng)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(fù)載開關(guān)。

穩(wěn)壓器（連接到負(fù)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(jī)和運(yùn)行期間的浪涌電流和消耗電流盡可能小的 LSI。

軟件設(shè)計(jì)

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(hù)的系統(tǒng)，必須在以下每種情況下適當(dāng)切換運(yùn)行負(fù)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(guò)仔細(xì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和組件選擇來(lái)解決有關(guān)使用能量收集電源的一些問(wèn)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?yàn)榈厍虿荒艿却?，我們也不能?/p>

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

審核編輯 黃昊宇