基于能量采集解决方案的现代技术破解“永动机”的难题

时间：2021-08-19 15:28:48

关键字：能量采集

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[导读]人类对于科技改善生活的探索从来没有停止，而在古代的人类则因为科学知识的欠缺，有不少人陷于并不可行的，今天看起来明显违背科学常识的“科技探索”，大概“永动机”是其中最常见的人类普遍“迷思”——一种不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功的机器。在历史上，永动机一直被人...

人类对于科技改善生活的探索从来没有停止，而在古代的人类则因为科学知识的欠缺，有不少人陷于并不可行的，今天看起来明显违背科学常识的“科技探索”，大概“永动机”是其中最常见的人类普遍“迷思”——一种不需要外界输入能量或者只需要一个初始能量就可以永远做功的机器。

在历史上，永动机一直被人们讨论和研究，但是，很多人并不清楚这背后到底有什么意义。在人们的想象中，永动机是一种机械装置，它可以不停地自动运动，而且还可以举起重物等，做一些有意义的事情。13世纪就有人就试图想制造这种机械装置，但是直到21世纪也没有人真正制造出来。科学常识丰富的当下，人们当然明白这种机械是不可能制造出来的，原因是违反能量守恒定律和热力学定律。然而，今天领先的环境能量采集技术赋能下，一些看起来更像“永动机”的电子系统却在生活或工业领域获得普及应用，本文以ADI公司的环境能量采集技术的三个应用案例，解读基于能量采集解决方案的现代技术实现“永动机”的方案思路。

微功耗能源采集技术让电力线监测一直在线

电网数据采集的最常见应用场景之一是被称为故障指示器的节点监控系统，当用电线路故障发生时，它会检测并发送警报，使得线路工作人员能够在最短时间内检修故障设备。过去因为电力公司的预算和资源有限，面对高昂的累计采购成本和大量的经常性维护工作，往往无法在庞大的电力基础设施中部署更多故障指示器。

基于ADP5091的环境能量采集电力线监测解决方案

为解决上述难题，ADI开发了一种新型线路传感器架构实现了有效的环境能量收集并管理多个电源，通过优化的最大功率点跟踪实现了超过90％的功率转换效率。此外，具有宽动态范围和高压摆率的低功耗运算放大器支持罗氏线圈架构，并以电流测量精度将磁场干扰降至最低，集成的ISM波段收发器执行RF通信并支持传感器网络协议。该解决方案主要优势是能高效采集电能，而且只需更少的维护，并支持系统更快启动、功耗更低和运行更平稳。

其中核心芯片是ADP5091，提供有限采集能量（从16 μW到600 mW范围）的高效转换，工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。通过检测输入电压，控制环路可将输入电压纹波限定在固定范围内，从而保持稳定的DC-DC升压转换。在OCV动态检测模式和非检测模式下，输入电压的编程调节点允许最大限度地提取采集器的能量。

基于塞贝克效应的温差发电为低功耗可穿戴永续供电

温差发电的工作原理基于塞贝克效应，通常由数百个N型和P型材料的柱体结构组成的热电发生器，从电路上看它们通过串联方式增加温差电势，而在传热方面通过并联连接增加热能的使用效率。当器件两端存在温差时，热场驱动载流子运动并在回路中形成温差电流，以此来输出功率。利用由系统内温度变化而产生的电能，能够运作尤其是低功耗电路设计的系统，让一些无法使用电池，或是电力线的低功耗应用可以实现。现在，甚至可以利用人体热量为穿戴设备的传感器供电。

以ADI高度集成的 DC/DC 转换器LTC3108为例，其非常适合于收集和管理来自诸如TEG、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。一个3cm×3cm的TEG连上LTC3108，可以产生3.3伏电压，在10度温差时，大概就能产生60微安的电流，可以得到200微瓦的功率。如果将其用于可穿戴设备，人体的体表温度可能有35度，即使环境温度有25度，也能有10度的温差，更大温差能够产生更大的功率，而且是可以持续不断的为可穿戴设备供电，实现真正的“免充电”。

LTC3108 TEG 能量采集装置的应用

采集环境无线电能量的无电池供电解决方案

无线功率传输(WPT)系统由气隙分隔的两部分组成：发射(Tx)电路（包括发射线圈）和接收(Rx)电路（包括接收线圈）。与典型的变压器系统非常相似，发射线圈中产生的交流电通过磁场感应在接收线圈中生成交流电。然而，与典型的变压器系统不同的是，原边（发射端）和副边（接收端）之间的耦合程度通常很低。这是由于存在非磁性材料（空气）间隙。

目前大多数无线功率传输应用都采用无线电池充电器配置。但是，如果特定应用根本没有电池，取而代之的是，当无线电源可用时，只需提供一个稳压的电压轨，远程传感器、计量、汽车诊断和医疗诊断领域，此类应用的例子极为常见。如果该远程传感器仅需要用户在其附近时给出读数，则可按需进行无线供电。

LTC3588-1就是一款纳安功耗能量收集电源解决方案，专为诸如压电传感器等高阻抗源而优化，适合于无线电波环境能量采集。它内置了一个低损耗全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器，用于将能量从一个输入存储器件传输至输出，以产生一个可支持高达 100mA 负载的稳定电压。下图显示了采用LTC3588-1的完整发射端和接收端WPT解决方案(值得一提的是，该方案供电的距离适合2mm以内的应用)。