無處不在的綠色能源應(yīng)用

　　背景

　　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(jī)。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(jī)械振動(dòng)，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(yuǎn)程傳感器供電或者給電容器或薄膜電池等存儲(chǔ)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(yuǎn)程地點(diǎn)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(jī)會(huì)。下表 1 說明了我們?cè)谶@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(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(dòng)電壓：低至 20mV

　　3、高輸入電壓能力：高達(dá) 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(dòng)極性工作

　　7、 針對(duì)太陽能輸入的最大功率點(diǎn)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(dòng)增長(zhǎng)的市場(chǎng)力量

　　能源法規(guī)、運(yùn)營(yíng)成本上升和越來越多的“綠色”運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(jī)械、農(nóng)業(yè)、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等） 留下了一個(gè)四分五裂的市場(chǎng)，但是為采用 IP 平臺(tái)統(tǒng)一傳感器網(wǎng)絡(luò)的跨行業(yè)努力正在進(jìn)行中，以簡(jiǎn)化開發(fā)、吸引新的廠商進(jìn)入市場(chǎng)并鼓勵(lì)創(chuàng)新。請(qǐng)注意：WSN 還可能指的是無線傳感器節(jié)點(diǎn)，因此 WSN 究竟指的是單個(gè)還是多個(gè)配置，就視上下文而定。

　　WSN 是一種突破性技術(shù)，可降低多達(dá) 80% 的安裝費(fèi)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(yùn)營(yíng)費(fèi)用。請(qǐng)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(cè)，未來 5 年內(nèi)，將安裝 1500 萬個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn) （數(shù)據(jù)來源：ON World Inc.），這些傳感器節(jié)點(diǎn)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(bào)告對(duì)上述增長(zhǎng)預(yù)測(cè)提供了支持，該報(bào)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(bào)告中寫道，2009 年超低功率能量收集器件的全球市場(chǎng)估計(jì)為 7950 萬美元。iRAP進(jìn)一步估計(jì)，在 2014 年該市場(chǎng)將達(dá)到 12.5 億美元，平均年增長(zhǎng)率 （AAGR） 為 73.6%。

　　因此，我們認(rèn)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(chǎng)。這就是凌力爾特公司投入時(shí)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(shí)現(xiàn)今天切實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。

　　“綠色”電源的商機(jī)

　　2012 年，任何以“綠色”能源或能量收集為目標(biāo)的產(chǎn)品都將有增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。能源成本和對(duì)環(huán)境的擔(dān)憂以及延長(zhǎng)移動(dòng)設(shè)備電池壽命的需求都導(dǎo)致人們專注于針對(duì)廣泛的應(yīng)用實(shí)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(zhǎng)電池壽命。

　　隨著消費(fèi)者尋找可降低能耗和可在戶外度過更長(zhǎng)時(shí)間的途徑，太陽能供電的便攜式電子設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。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(biāo)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(shí)有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，因此在這一點(diǎn)上工作是一個(gè)顯然的設(shè)計(jì)目標(biāo)。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(qiáng)度成正比，而其在最大功率輸出點(diǎn)上的電壓是相對(duì)恒定的。就給定照明強(qiáng)度而言，最大功率輸出發(fā)生在每條曲線的拐點(diǎn)處，在這一點(diǎn)上，電池從恒定電壓器件轉(zhuǎn)變?yōu)楹愣娏髌骷?。因此，?dāng)照明度不能滿足充電器的滿功率需求時(shí)，從太陽能電池板高效率地抽取能量的充電器設(shè)計(jì)必須能控制太陽能電池板的輸出電壓，使其達(dá)到最大功率點(diǎn)電壓。

　　“綠色電源”不僅限于通過能量收集產(chǎn)生能量，它同時(shí)還能用較少的能量完成同樣的功能。一個(gè)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(jì)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(jì)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(shí)，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(jī)，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(jì)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(gè)主要好處是降低設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)來進(jìn)行更改，因此還能簡(jiǎn)化在線測(cè)試 （ICT） 和電路板調(diào)試。另一個(gè)好處是，由于可以使用實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，所以有可能預(yù)測(cè)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(jì)師開發(fā)“綠色”電源系統(tǒng)，這類系統(tǒng)能在負(fù)載點(diǎn)、電路板、機(jī)架甚至安裝階段以最低能耗滿足目標(biāo)性能 （計(jì)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(dòng)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(zhǔn)和溫度補(bǔ)償電流模式模擬控制環(huán)路提供 ±0.5% 的 DC 準(zhǔn)確度，非常容易的補(bǔ)償 （已校準(zhǔn)以不受工作條件影響）、逐周期限流、快速和準(zhǔn)確的均流、以及電壓與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，而且沒有任何在其他運(yùn)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(gè) 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(biāo)記啟動(dòng)的故障記錄功能以及“黑匣子”記錄器，該記錄器存儲(chǔ)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(jìn)和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品 （例如在振動(dòng)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(jí)。盡管這種量級(jí)的功率也許看似有限，但是多年來能量收集組件的運(yùn)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(zhǎng)壽命的主電池是大致相當(dāng)?shù)?。此外，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(dòng)波束、發(fā)送的 RF 信號(hào)、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(gè)應(yīng)用例子：

　　1） 飛機(jī)腐蝕傳感器

　　2） 自動(dòng)調(diào)光窗

　　3） 橋梁監(jiān)視器

　　4） 樓宇自動(dòng)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(yuǎn)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(jī)很多。這類商機(jī)的一個(gè)很好的例子是太陽能供電的電子設(shè)備市場(chǎng)。隨著企業(yè)尋找降低能耗的途徑，該市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。例如，看一下智能電表。智能電表部署在智能電網(wǎng)上，希望由環(huán)境能源供電，以降低系統(tǒng)運(yùn)行的能源成本。一種可行和豐富的能源是太陽能。不過，因?yàn)樘柲芤鬃兦也豢煽?，所以幾乎所有太陽能供電的設(shè)備都具備可再充電電池。因此，一個(gè)重要的目標(biāo)是，抽取盡可能多的太陽能，以給這些電池快速充電，并保持它們的充電狀態(tài)，當(dāng)太陽能不可用時(shí)，就將電池作為能源使用。

　　反過來，如果智能電表將電池作為主要能源，那么電源轉(zhuǎn)換及管理電子產(chǎn)品在備用模式時(shí)就必須有非常低的靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池壽命。幸運(yùn)的是，凌力爾特公司提供種類繁多的 IC，這些 IC 的靜態(tài)電流值在典型情況下低于 25µA。