电路保护和储能

低能耗解决方案

随着技术影响力的不断增强，再加上电子产品成本的不断下降，到本世纪末，我们可以很好地看到某些电路正在处理生活的方方面面，这一点也不足为奇。物联网（IoT）的兴起见证了无数感官数据的收集，而晶体管尺寸的减小见证了在不到一粒米的硅芯片上制造出难以置信的强大处理器。

事实上，这种丰富的技术让设计师们想要突破电子产品的使用范围，这使得电子产品可以在海洋、沙漠和太空等恶劣的偏远环境中使用。在设计此类环境时，设计者必须了解，电路不仅必须能够在这些环境中工作（如化学损伤、热量和辐射），还需要电源。

电源可以有很大的不同，每个都有各自的优缺点，包括可靠性、存储能力和实用性。通过使用睡眠周期降低功耗，可以最大限度地减少对电源的依赖，但即使如此，仍然需要电源。

一种看起来很有前途的技术是能量收集。该解决方案要求电路从其环境中吸收能量，存储该能量，然后将能量转换为更可用的格式。这些来源包括太阳、风和振动。但是有没有一种替代能源在这里被忽视了呢？

电路保护目的

如前所述，电路保护的根本目的是将有害能源从容易损坏的敏感电路中转移出去。这种转移可以通过多种技术实现，包括钳位以防止电压超过电路阈值，或PTC可重置保险丝以防止大量电流流过电路。

大多数现代电路保护技术涉及转移或耗散多余能量，无论是来自静态电源（如人）还是来自意外浪涌（如来自配电网的浪涌）。如果电路保护的目的是防止有害能量损坏部件，那么这种能量是否可能被存储而不是耗散？如何在设计中实现这一点，以及哪些应用程序将从这样的系统中受益？

能量收集和电路保护

典型的能量收集技术涉及直接连接到其能量源的能量存储元件（例如a），其间的电路最少。例如，太阳能电池可以连接到电容器，而电容器又连接到电池。当电容器两端的电压达到特定阈值时，直流/直流变换器可以将电压升高，然后为主电路供电。这可以是任何东西，从一个简单的灯塔到物联网传感器。

然而，从有害来源转换能量可能会有问题，因为能量来源必须远离电气路径，而不是来自专用电气路径。为了更好地理解这个设计问题，让我们来看两个不同的场景；静电放电源和感应元件。

静电放电源

静电放电的来源通常是很短时间内的高电压。常见的静电放电源包括层压地板上的购物车和皮肤摩擦的衣服。在这两个例子中，产生的电压可能高达10千伏，并可能导致人跳。

由于静态冲击的长度通常在毫秒范围内，因此传递的总能量非常小，这就是为什么这些来源对人体无害的原因。更重要的是，许多电路现在都基于CMOS技术，这涉及到难以置信的薄栅极。这些栅极极极易发生介质击穿，这就是为什么静电冲击很容易损坏它们（因此需要防静电封装等）。对此类电源的保护通常涉及使用齐纳二极管，其钳制超过指定范围的电压（例如5 V逻辑电路为5.1 V）。

从静电放电源转移能量将很困难，因为电路必须能够在这样做时使用最小的功率快速响应。因此，这种方法将需要依赖模拟电路（即无有源或数字逻辑），一种潜在的安排是使用。高于所需水平（例如5.1 V）的电压可能会导致二极管配置将主电路与ESD源电隔离，然后电连接储能元件（例如超级电容器）。可能能够实现这一点的组件是基于PN结的组件，例如二极管、SCR和晶闸管。

该电路设计中的挑战是确保电路在将能量传输到存储元件的同时与静电放电源进行电气隔离，而不是将其作为热通过二极管耗散。这种能量收集方法在可穿戴应用中非常有益，由此产生振动和机械能的运动也会产生静电。静电放电储能在很少处理的远程环境（例如监测站）中不实用。

感应源

当涉及到电路保护时，由于感应元件的反电动势行为，感应元件可能会给电路设计者带来很大的问题。电感器本质上是电磁铁的一种形式，当电流流过电感器时，会产生磁场。如果通过电感器的电流保持恒定，则产生的磁场也恒定。另一方面，如果电流发生变化，则磁场的合成幅值也会发生变化。如果你愿意，这种变化的磁场会在电感器中感应出一个电压，其极性与变化的电流相反。这种耐变化性在滤波电路中很有用，通过这种电路可以抵抗电流的突然变化（如浪涌），从而防止对电路的损坏。然而，值得注意的是，电感器可能是电路损坏的潜在来源，尤其是在涉及开关电路的情况下。继电器线圈是反电动势可能损坏电路的常见示例，否则可以使用反极性二极管进行保护。打开继电器线圈不会导致电压尖峰，因为唯一的电压源是电源（当观察到电流尖峰时）。当继电器线圈断电时，塌陷的磁场会产生非常大的反电动势，通常测量值为数百伏。该问题通过使用反激二极管得到解决，反激二极管基本上使继电器线圈短路，并防止较大的反电动势到达晶体管等敏感开关电路。

来自电感器的反电动势可以存储到能量收集电路中，但这样做与存储静电放电能量具有类似的挑战。短暂的能量脉冲必须由不依赖外部电源或处理系统的电路来处理。这可以通过齐纳二极管布置来实现，齐纳二极管布置在激活时将敏感控制电路与电感器电隔离。然后，电容器组将能够存储反电动势和稍后重新利用的能量。这种在同时保护电路的同时收集能量的方法可以在诸如门锁之类的低功耗家庭自动化设备中实现，这些设备需要控制电磁阀，但仅简单使用。然后，电磁阀产生的能量脉冲可用于驱动无线模块，用于向云中提交有关房屋入口的信息。

结论

很长一段时间以来，无论是电池还是主电源，电子产品都内置在具有某种可靠电源的产品中。随着人们希望将电子设备安装到各种位置，以及对更节能系统的需求，能量采集正成为该行业越来越受欢迎的一个部门。

随着电子设备的能源需求持续减少，来自小型能源（如静电放电和感应电压）的可用能源增加。下一代智能健康传感器将采用静电放电供电吗？门锁可以用电池做几年吗？电路保护会转移到储能中吗？时间会证明一切。