无处不在的绿色能源应用

　　背景

　　在我们周围有大量环境能源，传统的能量收集方法一直是通过太阳能电池板和风力发电机。不过，新的能量收集工具允许我们利用种类繁多的环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，可用来给电路供电的“平均收集”能量之多少才是更重要。例如，热电发生器将热量转换成电，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 （或任何光源），通过化学作用产生电流的组件转换潮气的能量。这使给远程传感器供电或者给电容器或薄膜电池等存储器件充电成为可能，因此微处理器或发送器可以无需本地电源，而从远程地点供电。

　　这又为凌力尔特的能量收集产品用作潜在的解决方案创造了机会。下表 1 说明了我们在这一领域提供的产品

　　表 1：凌力尔特面向可再生能源应用的 IC 解决方案

　　表 1 中列出的每一种产品都有特定的功能和性能标准，这使每一种产品都可以根据环境能源的类型，成为切实可行的最佳解决方案。概括而言，这些包括：

　　1、低备用静态电流：典型值低于 6µA，最低为 450nA

　　2、低启动电压：低至 20mV

　　3、高输入电压能力：高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压

　　4、 能处理 AC 输入

　　5、多输出能力和自主系统电源管理

　　6、自动极性工作

　　7、 针对太阳能输入的最大功率点控制 （MPPC）

　　8、能从低至 1°C 的温度差中收集能量

　　9、外部组件数最少、占板面积紧凑的解决方案

　　驱动增长的市场力量

　　能源法规、运营成本上升和越来越多的“绿色”运动驱动着接受面向能量收集应用的无线传感器网络 （WSN）。尽管以前的 WSN 产品 （工业机械、农业、结构健康监测等） 留下了一个四分五裂的市场，但是为采用 IP 平台统一传感器网络的跨行业努力正在进行中，以简化开发、吸引新的厂商进入市场并鼓励创新。请注意：WSN 还可能指的是无线传感器节点，因此 WSN 究竟指的是单个还是多个配置，就视上下文而定。

　　WSN 是一种突破性技术，可降低多达 80% 的安装费用，并支持种类繁多和有线网络不可能支持的应用，使建筑物更环保、更智能。由于几乎在任何地方都有可能安装传感器，所以任何规模的建筑物都可以优化其能耗、改善安全性并降低运营费用。请注意：在建筑物中，HVAC 使用了三份之二现已安装的 WSN，其次是照明和门禁控制。据预测，未来 5 年内，将安装 1500 万个无线传感器节点 （数据来源：ON World Inc.），这些传感器节点将需要由电池或环境能源供电，也有可能由二者组合供电。

　　iRAP 公司最近公布的一份研究报告对上述增长预测提供了支持，该报告题为“EN105：面向无线交换器和无线传感器网络的超低功率 （微瓦） 能量收集”，报告中写道，2009 年超低功率能量收集器件的全球市场估计为 7950 万美元。iRAP进一步估计，在 2014 年该市场将达到 12.5 亿美元，平均年增长率 （AAGR） 为 73.6%。

　　因此，我们认为，在该领域或可再生能源及能量收集领域，满足特定解决方案需求的产品有非常大的市场。这就是凌力尔特公司投入时间和资源开发特定产品的原因，这些产品具备合适功能，能实现今天切实可行且经济实惠的解决方案。

　　“绿色”电源的商机

　　2012 年，任何以“绿色”能源或能量收集为目标的产品都将有增长机会。能源成本和对环境的担忧以及延长移动设备电池寿命的需求都导致人们专注于针对广泛的应用实现电源优化。我们的高能效产品使客户能以更高的效率转换能量、消耗更低的功耗并延长电池寿命。

　　随着消费者寻找可降低能耗和可在户外度过更长时间的途径，太阳能供电的便携式电子设备市场持续增长。由于太阳能电源易变且不可靠，所以几乎所有太阳能供电的设备都具备可再充电电池。显然，人们的目标是，抽取尽可能多的太阳能，以给这类电池快速充电，并保持他们的充电状态。

　　然而，太阳能电池本身是低效率器件，不过它们确实有一个最大输出功率点，因此在这一点上工作是一个显然的设计目标。问题是，最大输出功率的 I - V 特性随照明度而变。单晶太阳能电池的输出电流与照明强度成正比，而其在最大功率输出点上的电压是相对恒定的。就给定照明强度而言，最大功率输出发生在每条曲线的拐点处，在这一点上，电池从恒定电压器件转变为恒定电流器件。因此，当照明度不能满足充电器的满功率需求时，从太阳能电池板高效率地抽取能量的充电器设计必须能控制太阳能电池板的输出电压，使其达到最大功率点电压。

　　“绿色电源”不仅限于通过能量收集产生能量，它同时还能用较少的能量完成同样的功能。一个已产生重要影响的领域是数字系统电源管理。如果数字电源设计正确，那么它就能降低数据中心功耗、加快产品上市、拥有卓越的稳定性和瞬态响应并提高系统的总体可靠性，例如在网络设备中。

　　网络设备的系统设计师不得不提高系统的数据吞吐量和性能，并增加功能。同时，他们还面临着降低系统总体功耗的压力。数据中心中的挑战是，通过重新调整工作流并将作业转移到未充分利用的服务器上，使其他服务器能停机，以此来降低总体功耗。为了满足这些要求，知道最终用户设备的功耗是必需的。正确设计的数字电源管理系统能为用户提供功耗数据，从而允许做出智能能源管理决策。

　　此外，数字电源系统管理的一个主要好处是降低设计成本，并加快产品上市。复杂的多轨系统可以利用一个综合性和具备直觉式图形用户界面 （GUI） 的开发环境，高效率地开发出来。这类系统可通过 GUI 而不是焊接到“白色导线”定位点来进行更改，因此还能简化在线测试 （ICT） 和电路板调试。另一个好处是，由于可以使用实时遥测数据，所以有可能预测电源系统故障并采取预防性措施。也许最重要的是，具备数字管理功能的 DC/DC 转换器允许设计师开发“绿色”电源系统，这类系统能在负载点、电路板、机架甚至安装阶段以最低能耗满足目标性能 （计算速度、数据速率等） 要求，从而在产品的寿命期内，降低了基础设施成本和总体拥有成本。

　　凌力尔特公司的 LTC3880 是一款双输出同步降压型 DC/DC 电流模式控制器，具备集成的功率 FET 栅极驱动器和可通过 I2C PMBus 使用的全面电源管理功能。该产品的精确基准和温度补偿电流模式模拟控制环路提供 ±0.5% 的 DC 准确度，非常容易的补偿 （已校准以不受工作条件影响）、逐周期限流、快速和准确的均流、以及电压与负载瞬态响应，而且没有任何在其他运用“数字”控制的产品中发现、与 ADC 量化有关的误差。LTC3880 包括一个 16 位数据采集系统，该系统提供输入和输出电压及电流、占空比以及温度的数字回读。该器件还提供通过中断标记启动的故障记录功能以及“黑匣子”记录器，该记录器存储发生故障前转换器的工作状态。凌力尔特公司的 LTpowerPlay™ 开发软件和 GUI 接口方便了多轨系统的开发。

　　能量收集能提供多大的功率？

　　最先进和现成有售的能量收集产品 （例如在振动能量收集和室内光伏电池领域） 在典型工作条件下产生的功率为毫瓦量级。尽管这种量级的功率也许看似有限，但是多年来能量收集组件的运行可能意味着，就能源供应和每单位能量成本两方面而言，这类产品与长寿命的主电池是大致相当的。此外，采用能量收集技术的系统一般将能在电量耗尽之后再充电，而一些由主电池供电的系统是不可能做到的。

　　环境能源包括光、热差、振动波束、发送的 RF 信号、或仅是其他任何可通过换能器产生电荷的能源。下表 2 说明了可从不同能源产生多少能量。

　　表 2：能源及其能产生的能量

　　在大量应用中，这样的能量值就系统部署而言是有意义的。以下仅举出几个应用例子：

　　1） 飞机腐蚀传感器

　　2） 自动调光窗

　　3） 桥梁监视器

　　4） 楼宇自动化

　　5） 电量表

　　6） 气体传感器

　　7） 健康监视器

　　8） HVAC 控制

　　9） 电灯开关

　　10） 远程管道监视器

　　11） 手表

　　12） 水表

　　结论

　　能量收集作为可替代能源用在“绿色电源”中的商机很多。这类商机的一个很好的例子是太阳能供电的电子设备市场。随着企业寻找降低能耗的途径，该市场持续增长。例如，看一下智能电表。智能电表部署在智能电网上，希望由环境能源供电，以降低系统运行的能源成本。一种可行和丰富的能源是太阳能。不过，因为太阳能易变且不可靠，所以几乎所有太阳能供电的设备都具备可再充电电池。因此，一个重要的目标是，抽取尽可能多的太阳能，以给这些电池快速充电，并保持它们的充电状态，当太阳能不可用时，就将电池作为能源使用。

　　反过来，如果智能电表将电池作为主要能源，那么电源转换及管理电子产品在备用模式时就必须有非常低的静态电流，以延长电池寿命。幸运的是，凌力尔特公司提供种类繁多的 IC，这些 IC 的静态电流值在典型情况下低于 25µA。