能量收集电路可以最小化维护干预和电流消耗，以更有效地使用能源。

如今，每个电子行业的共同趋势是追求最高效率。能量收集技术不仅可以最大限度地减少维护干预，甚至可以消除维护干预，而且还可以减少电流消耗，最大限度地降低电力损失，从而更有效地利用能源，并满足最近全球法规的要求。

在超低功率应用的特定情况下，能量效率对装置的可行性具有根本重要性。这适用于物联网设备，根据IDC的数据，预计2025年物联网设备的数量将超过400亿个全球DataSphere IoT设备和数据预测。在许多情况下，物联网设备由可充电电池供电，用户必须定期更换。

通过捕获和转换环境中可用的不同形式的能量，例如太阳能或风能，可以获得为物联网设备电池充电所需的电能。其他形式的可用能源包括射频（RF）信号、机械能或动能、太阳能和热能。

还值得注意的是能量收集是解决气候变化和全球变暖问题的一个极好的方法，因为它可以回收否则会损失的外部能源。

能量收集源

最常见的能源收集来源概述如下：

能量收集电路设计

考虑到利用这种技术获得的功率非常低（毫瓦或微瓦），设计和实现能量收集电路不是一项简单的任务。因此，需要能够最大限度地利用可用能源、最大限度地减少损失和提高效率的组件和设计解决方案。

典型的能量收集方案由环境能源、能量传感器、功率管理单元、能量存储元件、电压调节器和电负载组成，如图1所示。


图1：能量收集框图（来源：EE时代欧洲)

与能量收集（EH）应用相关的一些电路解决方案如下：

射频和热能的采集

BQ25570集成电路可以从热电发电机中提取微瓦到毫瓦的能量，可用于热能收集。此外，它还包括一个电源管理系统，该系统使用多个电路来提高电压，同时防止电池过度充电或爆炸。

关于接收天线处功率电平的评估，我们可以使用以下众所周知的Friis传输方程，其中：PT=传输功率，PR=接收功率，GT=发射机天线增益，GR=接收器天线增益，λ=波长，d=发射器和接收器之间的距离。

通过结合RF和热传感器，低功耗可穿戴设备可以接收足够的能量以实现自供电。生成的框图如图2所示。

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图2：项目框图（来源：EE时代欧洲)

例如，我们将利用P2110 IC及其射频天线和前端进行射频采集。它被设置为902至928 Mhz的频率范围。

当热电发电机的板之间有足够的温差以在其端子上产生电压时，程序开始。BQ25570集成电路将提取功率，其大小将根据温差变化，从微瓦到毫瓦不等。由于内置升压转换器，电压将提高到3.3V，效率为93%。

P2110射频采集器还将射频能量转换为电能。天线将接收RF功率，然后使用其内置阻抗匹配电路将其转换为直流电源。当设备使用的电流小于采集器电路产生的电流时，在输出端放置一个电容器存储功率然后，这两种能力将被联合起来，同时投入使用。即使其中一个收获源很弱，系统仍能继续运行，因为另一个源将继续供电。

所选电容器应具有低ESR（小于200 mΩ）和低漏电流（1.2V时小于1μA）。此外，其值可根据以下公式计算，其中：V输出=P2110的输出电压，T在…上=IC接通时间，I输出=P2110的平均输出电流。

IC的RF输入引脚可以接受任何公共天线。本项目采用50欧姆天线，因为大多数射频设备通常使用一个天线进行阻抗匹配。各种类型的天线可以连接到P2110。

在设计PCB时必须格外注意，因为RF极易受到噪声和EMI干扰的影响。跟踪天线的阻抗匹配至关重要。RF迹线的长度必须严格保持在50欧姆的最大值。GND引脚应使用通孔连接至电路板接地。IC还必须靠近所有电阻器和电容器。

此外，高电流轨道的PCB迹线应短而宽。从地面上看，返回路线应尽可能简短。存储电容器和旁路电容器的接近度应等于IC焊盘的接近度。避免在电容器线路中放置任何通孔。

太阳辐射收集

太阳辐射收集使用一个由能量收集IC驱动的微型光电二极管，为低功率应用提供能量。光电二极管的输出用于为超级电容器充电，而降压转换器用于提供3.3V的稳压电压。

微型BPW34太阳能电池是该电路的主要元件（见图3），将太阳能转换为电能。BQ25504集成电路由太阳能电池的输出供电，输出电压接近300毫伏。

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图3：项目示意图（来源：EE时代欧洲)

为了启动集成电路，我们需要至少串联两个太阳能电池，因为300毫伏是不够的。但即便如此太阳能电池可用于加快IC的启动时间。它将为通过该升压转换器IC串联连接的两个CPH3225A（0.011F超级电容器）充电。

IC的最高输出电压为5.25V，是超级电容器充电的唯一值。超级电容器将通过降压转换器从5V放电到3.3V，这也将使IC放电。连接到收割机IC的电阻器调节过电压和欠电压情况。

由于超级电容器有其自身的限制，因此该模块适用于低功率应用。在理想情况下，两个CPH3255A在3.3V下可存储总共12.74uWh（45.85mJ）或3.86uAh。鉴于CPH3225A的内部电阻为160欧姆，模块最多只能提供10mA的电流，即使是最苛刻的应用也足够。

对于像10uA这样的高电流，该项目的效率很高。对于较低的电流，降压转换器将对效率产生负面影响。在10uA时，理论上测得的效率为90%，但在较小的电流（如1uA）下，效率降至约60%。

与之前的项目一样，CBYP电容器应具有低泄漏，而CSTOR电容器应具备低ESR，因为其值会影响冷启动效率和时间。

>>这篇文章最初发表在我们的姐妹网站上，EE时间.