摘要：能量收集（也稱為功率收集或能量提取）允許電子裝置在沒有常規電源的場合正常工作，無需鋪設電線或更換電池。本文介紹了幾種非常規能源供電系統，并簡要介紹其應用范圍。文章還討論了實現能量收集必須解決的設計挑戰。

引言

現代化電子系統解決了非常多的難題，經常被人們看作無所不能。實際上，任何系統都具有一些基本限制，例如：需要電源！多數情況下，對電子設計者來說供電是一項非常簡單的任務，因為他們具有各種各樣的供電方案。但有時候裝置既不能獲得直接電源，拉線或更換電池也不切實際。即使使用長壽命電池，最終也需要更換電池，進行現場維護。

能量收集。能量收集（也稱為功率收集或能量提取）允許電子裝置在無法獲得常規電源的場合正常工作，無需拉線或更換電池。

本文討論能量收集及其應用。文章介紹了工作原理及設計者在方案實施中所面臨的難題。

什么是能量收集？

能量收集是把非常規能源用于電路供電。典型情況下，微小的能量被轉換成電能并儲存在耐用的儲能單元，例如電容、超級電容或微能量電池（MEC），這是一種鋰固態電池。系統通常包括：功率管理、儲能裝置保護等電路。

能源包括：光（由光伏電池捕獲）、振動或壓力（由壓電元件捕獲）、溫差（由熱電發生器捕獲）、無線電能量（射頻） （圖1），甚至生化產生的能量，例如從血糖提取能量的細胞。

圖1. 能量收集將非常規能源用于電路供電。

用于遙控和便攜式應用的能量收集

盡管能量收集所利用的是“免費能源”，但能源費用并不是促進大多數應用的誘因。之所以采用現代化能量收集是因為可以避免在無法觸及的區域鋪設電線，或者頻繁更換電池。簡而言之，能量收集系統使用更方便，能夠降低眾多應用的成本。

能量收集的魅力不止于此，它也是ResourceSmart?設計，避免廢棄電池、電力線對環境的影響；避免了繁瑣的現場維護；允許在不可觸及的區域（特別是敏感的生態環境）實現監測。

能量收集的應用主要集中在遠端站點及移動裝置的管理。典型應用包括：遠端傳感器控制、遠端無線檢測裝置、資產跟蹤和門禁識別系統，以及需要增強安全監控的偏僻區域，典型應用包括：管道、灌溉及其它具有無法獲取電源的系統；監測石油和天然氣管道的安全和控制設備；電動抽水馬桶；衣服和防護裝置的電子設備；外科植入電子部件，如：給藥、監護儀和起搏器；智能卡（含有電路但無電源）等等。能量收集對各種實時時鐘（RTC）/存儲器備份應用和資產跟蹤或識別也非常有用。

能量收集面臨的技術挑戰

能量收集方案需要電子電路的支持。考慮到以下設計挑戰，如果系統不具備常規的供電條件，則需要將能量儲存在電池、超級電容或微能量電池中。此外，由于能源的多樣性，系統必須對其進行轉換、調節和控制。另外，還需要適當的保護電路和儲能單元，避免受過高壓或功率尖峰的影響。由于能源提供的能量通常非常微弱，電子設備必須具有很高的工作效率。

由能量收集供電的遠端設備必須非常可靠，因為即使進行一次現場維護也將完全毀滅遠端控制的優勢。最后，遠端系統往往工作在惡劣環境，容易受環境/溫度條件波動的影響。任何能量收集系統必須能夠勝任這樣的條件并正常工作。

未來的能量收集

Maxim MAX17710能量收集充電器和保護器是新一代電源管理IC，用于“收集”各種能源產生的能量（圖1）。MAX17710提供能量收集和電源管理，有效保護、管理儲存在微能量電池中的能量，例如Infinite Power Solutions的THINERGY?微能量電池（MEC） （圖2）。尺寸只有郵票大小的超薄MEC使用非常靈活，具有優異的充電效率、重復使用壽命和功效。MEC具有極低的自放電率，能夠存放數十年。實際上，正是這兩種器件的結合使得能量收集變為現實。

圖2. 典型應用電路中的MAX17710，從高壓能源收集能量。

MAX17710集成升壓穩壓器，能夠從低至800mV的電壓進行升壓充電。只要配合低廉的外部元件，即可對MEC進行充電，并收集1μW至100mW的能量。為了保護MEC，MAX17710能夠處理高于MEC電壓的輸入，對其進行穩壓或分流過大功率。超低靜態電流、低壓差線性穩壓器（LDO）提供可選的輸出電壓：3.3V、2.3V或1.8V，防止潛在的MEC過放電。這也允許MAX17710適應各種負載，因為只有外部能源將MEC電壓升至安全范圍后，才解除欠壓保護狀態。

另一項考慮是極端溫度。極低溫度下，任何電池的特性阻抗都會增大，限制能夠提供的負載電流。MAX17710集成了一項特有功能，通過管理外部儲存電容提供較高的脈沖電流。

結論

能量收集允許電子裝置工作在沒有常規電源的區域，無需拉線或頻繁更換電池。利用非常規電源，能量收集電路管理所產生的功率并保護儲能裝置。由于并不總是存在能源，能量收集系統也需要儲存能量。

能量收集應用正在成為快速增長的市場，正在開發的一些產品也以成本低廉和“清潔”能源的利用顯示了能量收集的實用性、有效性。顯而易見，每套微能量電池方案都需要一定的能量收集充電器和保護電路，例如MAX17710。