無處不在的綠色能源應(yīng)用

　　在我們周圍有大量環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直是通過太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的能量收集工具允許我們利用種類繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，可用來給電路供電的“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(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光 （或任何光源），通過化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)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)送器可以無需本地電源，而從遠程地點供電。

　　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。下表 1 說明了我們在這一領(lǐng)域提供的產(chǎn)品

　　表 1：凌力爾特面向可再生能源應(yīng)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(jù)環(huán)境能源的類型，成為切實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、低啟動電壓：低至 20mV

　　3、高輸入電壓能力：高達 34V 連續(xù)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(tǒng)電源管理

　　6、自動極性工作

　　7、 針對太陽能輸入的最大功率點控制 （MPPC）

　　8、能從低至 1°C 的溫度差中收集能量

　　9、外部組件數(shù)最少、占板面積緊湊的解決方案

　　驅(qū)動增長的市場力量

　　能源法規(guī)、運營成本上升和越來越多的“綠色”運動驅(qū)動著接受面向能量收集應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) （WSN）。盡管以前的 WSN 產(chǎn)品 （工業(yè)機械、農(nóng)業(yè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等） 留下了一個四分五裂的市場，但是為采用 IP 平臺統(tǒng)一傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨行業(yè)努力正在進行中，以簡化開發(fā)、吸引新的廠商進入市場并鼓勵創(chuàng)新。請注意：WSN 還可能指的是無線傳感器節(jié)點，因此 WSN 究竟指的是單個還是多個配置，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，并支持種類繁多和有線網(wǎng)絡(luò)不可能支持的應(yīng)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(guī)模的建筑物都可以優(yōu)化其能耗、改善安全性并降低運營費用。請注意：在建筑物中，HVAC 使用了三份之二現(xiàn)已安裝的 WSN，其次是照明和門禁控制。據(jù)預(yù)測，未來 5 年內(nèi)，將安裝 1500 萬個無線傳感器節(jié)點 （數(shù)據(jù)來源：ON World Inc.），這些傳感器節(jié)點將需要由電池或環(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預(yù)測提供了支持，該報告題為“EN105：面向無線交換器和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的超低功率 （微瓦） 能量收集”，報告中寫道，2009 年超低功率能量收集器件的全球市場估計為 7950 萬美元。iRAP進一步估計，在 2014 年該市場將達到 12.5 億美元，平均年增長率 （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，滿足特定解決方案需求的產(chǎn)品有非常大的市場。這就是凌力爾特公司投入時間和資源開發(fā)特定產(chǎn)品的原因，這些產(chǎn)品具備合適功能，能實現(xiàn)今天切實可行且經(jīng)濟實惠的解決方案。

　　“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)品都將有增長機會。能源成本和對環(huán)境的擔憂以及延長移動設(shè)備電池壽命的需求都導(dǎo)致人們專注于針對廣泛的應(yīng)用實現(xiàn)電源優(yōu)化。我們的高能效產(chǎn)品使客戶能以更高的效率轉(zhuǎn)換能量、消耗更低的功耗并延長電池壽命。

　　隨著消費者尋找可降低能耗和可在戶外度過更長時間的途徑，太陽能供電的便攜式電子設(shè)備市場持續(xù)增長。由于太陽能電源易變且不可靠，所以幾乎所有太陽能供電的設(shè)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能，以給這類電池快速充電，并保持他們的充電狀態(tài)。

　　然而，太陽能電池本身是低效率器件，不過它們確實有一個最大輸出功率點，因此在這一點上工作是一個顯然的設(shè)計目標。問題是，最大輸出功率的 I - V 特性隨照明度而變。單晶太陽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)生在每條曲線的拐點處，在這一點上，電池從恒定電壓器件轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏髌骷?。因此，當照明度不能滿足充電器的滿功率需求時，從太陽能電池板高效率地抽取能量的充電器設(shè)計必須能控制太陽能電池板的輸出電壓，使其達到最大功率點電壓。

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

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計師不得不提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量和性能，并增加功能。同時，他們還面臨著降低系統(tǒng)總體功耗的壓力。數(shù)據(jù)中心中的挑戰(zhàn)是，通過重新調(diào)整工作流并將作業(yè)轉(zhuǎn)移到未充分利用的服務(wù)器上，使其他服務(wù)器能停機，以此來降低總體功耗。為了滿足這些要求，知道最終用戶設(shè)備的功耗是必需的。正確設(shè)計的數(shù)字電源管理系統(tǒng)能為用戶提供功耗數(shù)據(jù)，從而允許做出智能能源管理決策。

　　此外，數(shù)字電源系統(tǒng)管理的一個主要好處是降低設(shè)計成本，并加快產(chǎn)品上市。復(fù)雜的多軌系統(tǒng)可以利用一個綜合性和具備直覺式圖形用戶界面 （GUI） 的開發(fā)環(huán)境，高效率地開發(fā)出來。這類系統(tǒng)可通過 GUI 而不是焊接到“白色導(dǎo)線”定位點來進行更改，因此還能簡化在線測試 （ICT） 和電路板調(diào)試。另一個好處是，由于可以使用實時遙測數(shù)據(jù)，所以有可能預(yù)測電源系統(tǒng)故障并采取預(yù)防性措施。也許最重要的是，具備數(shù)字管理功能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器允許設(shè)計師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類系統(tǒng)能在負載點、電路板、機架甚至安裝階段以最低能耗滿足目標性能 （計算速度、數(shù)據(jù)速率等） 要求，從而在產(chǎn)品的壽命期內(nèi)，降低了基礎(chǔ)設(shè)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(qū)動器和可通過 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(yīng)，而且沒有任何在其他運用“數(shù)字”控制的產(chǎn)品中發(fā)現(xiàn)、與 ADC 量化有關(guān)的誤差。LTC3880 包括一個 16 位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供輸入和輸出電壓及電流、占空比以及溫度的數(shù)字回讀。該器件還提供通過中斷標記啟動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(zhuǎn)換器的工作狀態(tài)。凌力爾特公司的 LTpowerPlay? 開發(fā)軟件和 GUI 接口方便了多軌系統(tǒng)的開發(fā)。

　　能量收集能提供多大的功率？

　　最先進和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品 （例如在振動能量收集和室內(nèi)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，但是多年來能量收集組件的運行可能意味著，就能源供應(yīng)和每單位能量成本兩方面而言，這類產(chǎn)品與長壽命的主電池是大致相當?shù)摹４送?，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)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(tǒng)是不可能做到的。

　　環(huán)境能源包括光、熱差、振動波束、發(fā)送的 RF 信號、或僅是其他任何可通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。下表 2 說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(yīng)用中，這樣的能量值就系統(tǒng)部署而言是有意義的。以下僅舉出幾個應(yīng)用例子：

　　1） 飛機腐蝕傳感器

　　2） 自動調(diào)光窗

　　3） 橋梁監(jiān)視器

　　4） 樓宇自動化

　　5） 電量表

　　6） 氣體傳感器

　　7） 健康監(jiān)視器

　　8） HVAC 控制

　　9） 電燈開關(guān)

　　10） 遠程管道監(jiān)視器

　　11） 手表

　　12） 水表

　　結(jié)論

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