當生物電路開始進入我們的產品時，我們需要喂它們。想象一下喂你的iPad吧。在此之前，我們的技術依賴于通過線路，電池和發電機提供的電能。

但正如T. Henry Morray所說，“世界處于能源之海”，能量收集工程師終于開始服用仔細看看我們周圍的能源，我們可以利用。雖然像Morray和Tesla這樣的人追求并展示了現代科學剛剛開始為群眾解開的回避零點能量，輻射能量和真空能量，但是能量收集工程師專注于更具體和易于理解的商業來源，如振動，光，熱電和EMR/RF。

本文將介紹不同類型能量收集源的能量分布，并在Cymbet能量收集評估套件中查看“引擎蓋下”。該套件可接收來自太陽能，熱能，EM/RF和振動源的能量。然后它調節能量為公司的固態可充電電池充電，這反過來在我們的電路需要時提供電力。

理解基線

不同的采收能源具有非常不同的特征。因此，對它們的充分了解將讓我們設計出更好的方法來捕獲它們的能量而不會浪費。

光伏太陽能電池是最常見和最廣泛部署的能量收集設備。它們具有各種尺寸和額定功率，并提供與其敏感波長處的入射輻射強度成比例的可變DC功率電平。

總體而言，有三種主要類型的光伏太陽能電池可用，基于單晶，多晶和非晶結晶材料。

單晶和多晶電池是最古老的類型，基于晶體形式的硅半導體。它們在光照下基于空穴和電子對的分離實現光電效應（見圖1）。

圖1：隨著電子遷移在電極側，產生凈正電荷，使電流流動。

單晶和多晶光伏電池在陰影或部分陰影時可能會失去效率，但即使在較高溫度下也能正常工作，使其成為外太陽能的理想選擇。無定形光電池是能量收集的理想選擇，因為它們可以做得很薄（小于1μM）。另外，它們可以粘附或沉積在剛性金屬或柔性塑料上作為載體基底。它們使用不規則的原子排列（見圖2），允許更高的光吸收，從而產生更多的能量。非晶硅光電電池在部分遮光中也能更好地工作，使其適用于室內應用，特別是因為它們在較高溫度下會失效。

圖2：非晶硅電池的不規則形狀允許更高的光吸收，使這些電池變得非常薄，甚至靈活。

小我們可以直接連接到我們的應用中的分立和串行/并聯晶圓可以隨時提供。例如，三洋的非晶AM-5610CAR為25 x 20 mm，完全照明時在2.4 mA穩定電流下產生5.1伏電壓。這足以運行一個小型設備并同時為電池充電。

其中一些電池可以提取相當多的電量。看看三洋AM-8702CAR。這種分立導線，扁平，剛性非晶光電太陽能電池被串行化，以超過17 mA的電壓輸出6伏電壓。 -100至+ 600C的額定值足以滿足大多數戶外應用以及室內照明的室內設備。

不要完全折扣晶體電池用于收割應用。有一些漂亮的小晶體電池，如IXYS公司的KXOB22-01X8，可以表面貼裝，在4.4 mA時輸出令人印象深刻的4.7伏電壓。同樣，IXYS公司提供小型單片表面貼裝電池，如CPC1831N，采用8引腳SOIC封裝。這部分產生了令人印象深刻的8伏電壓，但電流較低，為25μA（見圖3）。

圖3：小型表面貼裝封裝光伏電池為低功率電路提供能量（由IXYS公司提供）。

雖然光是最廣泛使用的環境能量形式，但其他光開始進入。

振動沖擊和沖擊類型的能量收集通常使用壓電換能器將物理分子運動轉換為可以捕獲的電脈沖。動態范圍為毫伏至數百伏，因此必須采用電路來捕獲和保護高壓尖峰。

并非每個應用都能利用沖擊和振動來獲取能量，但卡車等應用底盤傳感器，機電工廠機器傳感器和執行器經常暴露于沖擊波和/或穩定的高水平振動。這里可以使用壓電傳感器。以MIDéTechnologyCorporation的V25W壓電能量收集機為例。這種靈活的平面設備對60至140 Hz范圍內的振動非常敏感，使其能夠根據表面的偏轉和變形實時捕獲能量。例如，這對于50和60 Hz旋轉機器來說是理想的，否則其振動會完全浪費能量。

由于壓電能量收集的交流和脈沖特性，需要進行整流和濾波，因此電路保護，因為脈沖沖擊可以產生非常高的電壓。沖擊和振動的能量分布幾乎與太陽能電池相反（見圖4）。對于壓電電池，能量捕獲和量化更難確定。

圖4：壓電采集器的能量增加，直到其工作電壓達到其開路電壓的一半左右（左圖）。將此與標準太陽能電池的能量曲線進行比較，當電流為短路電流的百分比時，最佳功率會出現（右圖）。

對于壓電傳感器，您需要使用尖端質量，頻率表和數據表中的曲線，以估算開路和工作電壓。請注意，加速度也可以用作壓電能量傳感器的能量來源。

Digi-Key網站上的壓電能量收集訓練模塊討論了可用于將電力從壓電設備傳輸到電路。

用于能量收集的熱電源尚未像光伏和壓電一樣受歡迎，但它們具有很大的潛力。兩種類型的設備通過溫度變化產生功率：熱電偶和珀耳帖效應設備。雖然兩種器件都采用不同金屬結的原理來產生電壓電位，但熱電偶主要用于溫度傳感器，因為它們產生非常低的電流。它們可以大規模并聯以增加產量，但到目前為止，這還沒有被證明是一種經濟有效的解決方案。另一方面，Peltier效應器件主要用于加熱和冷卻應用，但是效果是對稱的。這意味著只要您保持一側冷卻而另一側加熱，它將產生與雙方溫度差成比例的功率。

幸運的是，Peltier效應器件有各種各樣的尺寸和配置。例如，Laird Technologies的較小的分立式430290-501提供了不對稱的側面，可以處理大約700C的溫差（見圖5）。來自CUI的較大的CPM-2F組件是預制的，通過直接粘合到陶瓷基板上的鋁板最大限度地吸收熱量。

圖5：基于熱電模塊的熱電模塊Peltier效應器件通常用于電子加熱和冷卻，但由于效果是對稱的，它們也可用于提取溫度差異的電能（Laird Technologies提供）。

熱電器件還沒有作為能量采集器被廣泛采用，因此數據表通常不提供使用它們從環境中提取電能的詳細信息。這些器件通常在低電壓下輸出更高的電流，并且需要調節和電壓轉換才有用。它們出現在混合太陽能管中，除了發電之外還充當乙二醇加熱器，因此我們應該隨著時間的推移看到更多的能量收集應用信息。

最后開始獲得牽引力的能量收集電源是可以捕獲到電子電路的RF/EM輻射。雖然我們已經看到這種技術以有限的方式用于RF ID系統 - 從讀取器獲取RF能量并提取足夠的功率來加載調制輸出信號 - 但捕獲的能量數量還不足以為節能微控制器供電和通訊鏈接。

然而，像無線充電系統這樣的近場輻射系統可以。天線基本上是一個電感器，充當變壓器的一半。物理隔離的發射器輻射AC場，天線可以拾取，整流并用作電源。 PC板薄餅螺旋天線可用于避免更昂貴和沉重的電感（見圖6）。

圖6：PC板平面天線可以產生輻射的交流電場，電感器或另一個PC平面天線可以從中獲取能量。這為一些能量收集應用創造了低成本的近場電源。

雖然能源確實在我們周圍，甚至可以被捕獲，但是如何處理它是我們聰明的追求能夠支付的地方關閉。有效的功率轉換，調節，充電和存儲以及提供捕獲功率的能力是我們的設計發揮作用的地方。

基礎技術

Cymbet制造和銷售固體狀態可充電電池，可以表面安裝到小型PC板上，用于低功耗，備用電池，RTC和SRAM保留應用。所謂的EnerChips具有平坦穩定的電壓曲線;高充電/放電循環壽命（通常為5,000）;自我放電率非常低（通常為五年）;

EnerChips是基于一種新的固體薄膜，制作為晶圓并像集成電路芯片一樣封裝（見圖7）。可以使用標準的回流焊技術，并且沒有可以泄漏，干燥或著火的腐蝕性易燃溶劑。由于EnerChips采用環保材料制造，因此沒有特殊的處理要求。這也使它們非常適合小型密封設計，如可穿戴醫療設備。

圖7：EnerChips就像標準IC一樣制造可能泄漏的溶劑和易燃電解質（由Cymbet提供）。

EnerChips的評級為每小時12,50和100μA，并且可以將公司的充電控制器集成到一個封裝中。這意味著您可以設計自己的充電/放電能量接口控制器或使用Cymbet的CBC915 EnerChip能量處理器，它基本上是一個專用控制器和定序器，用于控制和監控電池的充電速率，放電速率和狀態。它還支持串聯和并聯配置的多個電池，以提供更高的功率容量。

由于電池具有如此平坦的放電曲線，因此很難知道它們僅僅從電壓讀數中保持多少能量。需要主動監測和氣體計量來解決這個問題。 Cymbet的CBC915可以解決這個問題。

如果您正在設計自己的充電控制器，您需要實施精確的4.1伏充電調節器并監控放電速率，以免過快放電。電壓過高，容量降低;電壓太低，不會完全充電。此外，需要密切監控端子電壓，如果電池電壓降至3.0伏或更低，用戶的設計必須消除任何負載。這也會損壞電池。再一次，CBC915負責這一點。

單獨的電池輸出額定電壓為3.8伏，沒有嵌入式充電控制器。當使用集成充電控制器時，電池輸出穩壓且可立即使用的3.3伏電壓 - 非常適用于當今的許多設計。

數據手冊詳細介紹了理想的放電率。電池。通過這種方式，您可以知道是否需要多個并聯，尤其是在使用更高電流消耗的脈沖時刻（例如RF應用）時。 Cymbet提供了一份應用說明，介紹了如何估算電池壽命以及RF等脈沖放電應用的設計。總體而言，當放電率較低時，電池性能和壽命最佳。

套件價值千言萬語

EnerChips的小尺寸和特性使其具有低功耗電子設備，例如無線傳感器，可以從當地環境中收集足夠的環境能量以自行運行。為了證明使用能量收集來收集能量并為EnerChips充電，Cymbet已經提供了CBC-EVAL-09通用能量收集器評估套件（見圖8）。

圖8：能量收集器評估套件具有太陽能，EM/RF，熱和振動能源接口，并包含公司的充電控制器芯片（由Cymbet提供）。

DIP開關設置配置電路板接受電源基本上有五個調理電路接口：高壓直流輸入，兩個高壓交流輸入，兩個低壓交流輸入和一個直流直流輸入（見圖9）。用于不同能量源的示例電路包括升壓轉換器，兩個電荷泵和反激轉換器。 DC輸出端的固態開關允許CBC915控制器從充電狀態進入放電狀態，并在有條件能量可用時自動返回。還有一個低電池切斷開關，用于保護不應低于3伏的電池。

圖9：橋式整流器將交流電轉換為直流電高壓和低壓交流輸入;電荷泵，反激和升壓轉換器用于調節充電控制器芯片的能量，控制和監控電池放電（圖片由Cymbet提供）。

拆包和連接

我收到了CBC-EVAL-09通用能量收集器評估套件并打開包括主板，示例光電池，扁平柔性電纜和CD ROM的內容。在CD ROM上有這個評估套件的所有數據表，應用說明和手冊，以及Cymbet提供的其他評估套件。

我喜歡100密耳的間距引腳頭，因為它們提供了一個簡單的接口。使用這些引腳，我能夠連接我自己的太陽能電池，以快速測試電路板。我也很喜歡電路板的布局 - 所有能量轉換電路都在左側，能量控制器芯片位于中心位置，每個引腳的測試點都可以輕松進行探測。右側有嵌入式EnerChip CBC51100模塊，其中包含兩個50μA/小時的電池，一個CBC050可充電電池和一個CBC3150智能薄膜電池，其中包含電池和充電控制器。這提供了一個3.3伏，每小時100μA的電源，可以通過能量收集進行充電，并在我的測試負載下放電。

DIP開關是微型的，所以我需要好的眼鏡來閱讀參考標志，但手冊也有大尺寸的開關，按鈕，指示器和連接器的打印件，我可以參考。

我喜歡在按下一個小開關按鈕之前狀態LED不起作用。這使我能夠看到操作狀態，但不是為了點亮指示器而將功率拉開。當控制器跟蹤最大功率時，三個狀態指示器讓我知道;當保持電容充電時;當EnerChips收費時;當輸出功率受到調節時。一個很好的功能是CB915找到輸入傳感器的最大峰值功率點并指示它已鎖定。

我也喜歡折疊的引腳測試點，我可以輕松地連接儀表。這讓我可以看到來自我的電源和負載的電池電壓，電容器電壓和輸入電壓。

隨著附帶的電池供電，我能夠看到1.39伏輸入被提升到4.02伏特EnerChips喜歡看（參見圖10）。充電電壓調節得越好，從EnerChips看到的性能就越好。

圖10：測試設置讓我很容易配置和連接各種能源設備并評估Cymbet提供的收獲和充電技術。

當我嘗試從我的一個太陽能庭院燈中取出的太陽能電池時，我能夠看到它的輸出電壓低于所提供的太陽能電池的輸出電壓。幾秒鐘后，EC LED指示即使在較低電壓下EnerChip正在充電，再過幾秒鐘后，我看到MPPT LED指示燈閃爍，表明控制器已找到并鎖定在電池的最大功率點上。正在使用。

當太陽落山時，我看到充電速度減慢了，但是電路仍在提取能量，并且仍在向電池發出電荷脈沖，盡管速度較慢。

我將熱電設備連接到接頭并計劃測試這個，并且我可以立即構建一個可以控制和監控兩個板的溫度的測試裝置。這將讓我描述不同溫度下的可用能量。