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解决工业能源采集问题的技术

2018年06月13日 15:37 次阅读

放眼世界各地,工程师们都在提供旨在利用非传统型能源的新颖和革新方法,以解决现实问题。提升的安全性和易接近性、较低的维护成本、改善的能量效率和系统灵活性只是借助“采集”能量、无线检测和监视/控制系统所能获得的诸多好处中的一少部分。能源的高成本、新出台的政府条例和环境问题导致人们对于在各种场合中提高功率使用效率的需求大幅度地增长。新兴的可替代能源技术以及功率利用率的改善拥有在众多不同的市场之中实现性能突破的潜力。此外,不管从短期还是长期而言,能够利用这些新技术的新产品都意味着绝佳的成长机遇。

许多低功率工业传感器和控制器正在逐步转而采用可替代能源作为主要或辅助的供能方式。理想的状况是:这种采集能量将完全免除增设有线电源或电池的需要。利用现成的物理电源(例如:温差装置[热电发生器或热电堆]、机械振动[压电或机电装置]和光[光伏器件])来产生电力的换能器正在成为许多应用的适用电源。众多的无线传感器、远程监视器和其他低功率应用正逐渐发展成为只使用采集能量的近“零”功率器件(有些人通常称之为“毫微功率”)。

虽然“能量采集”自2000年初就出现了(当时为其萌芽期),但只是凭借近期的技术发展才将其推进至商业化阶段。简而言之,2010年我们将迎来其“成长”阶段。运用能量采集技术的楼宇自动化传感器应用已经在欧洲得到推广,这说明其成长阶段可能已拉开序幕。

现有的应用证实了商业可行性

尽管能量采集的概念广为人知已有多年,但在某种实际环境中实现一个系统却很麻烦、复杂和昂贵。然而,采用了能量采集方法的市场实例包括交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测,楼宇自动化当然也在其中。就楼宇自动化而言,诸如占有传感器、温度自动调节器和光开关等系统能够免除通常所需的电源或控制线路,而代之以一个机械或能量采集系统。除了可以免除首先进行线路安装(或在无线应用中定期更换电池)的需要之外,这种替代方法还能减低有线系统往往存在的例行维护成本。

同样,运用能量采集技术的无线网络能够将一幢建筑物内任何数目的传感器连接起来,以通过在建筑物内无人的情况下切断非紧要区域的供电来降低采暖、通风和空调(HVAC)以及照明成本。此外,能量采集电子线路的成本常常低于检测线路的运行成本,因此,选用采集电能技术显然能够带来经济上的收益。

典型的能量采集配置或系统(由下面的图1所示的4个主要的电路系统模块来表示)通常包括一种免费能源,比如:连接在某个发热源(如HVAC管道)上的热电发生器(TEG)或热电堆。这些小型热电器件能够将很小的温差转换为电能。该电能随后可由一个能量采集电路(图1中的第二个模块)进行转换并被变更为一种可用的形式,用于给下游电路供电。这些下游电子线路通常将包括某种类型的传感器、模数转换器和一个超低功率微控制器(图1中的第三个模块)。上述元件可以获取该采集能量(如今以电流的形式存在)并唤醒一个传感器,以获得一个读数或测量结果,然后使该数据可通过一个超低功率无线收发器(由图1所示电路链中的第四个模块来表示)进行传输。

解决工业能源采集问题的技术

图1:典型能量采集系统的四个主要的模块

该链路中的每个电路系统模块(能源本身可能是个例外)都特有一组迄今为止有损于其商业可行性的约束条件。低成本和低功率传感器及微控制器面市已有相当长的时间;然而,超低功率收发器只是在过去的短短几年里才刚刚实现了商用化。不过,该链路中处于落后状态的则一直是能量采集器和电源管理器。

现有的电源管理器模块实现方案是一种低性能分立型结构,通常包括 35个或更多的元件。此类设计具有低转换效率和高静态电流。这两个不足之处导致了终端系统中的性能损失。低转换效率将增加系统上电所需的时间,这反过来又延长了从获取一个传感器读数至传输该数据的时间间隔。高静态电流则对能量采集电源能够低到何种程度有所限制,因为它首先必须超越操作所需的电流水平,然后才能将任何剩余的能量用于给输出供电。最后,它还需要非常高深的模拟开关模式电源专门知识,而拥有此项专长的人才都很短缺!

“缺失的一环”(您要这么说也未尝不可)一直是能够采集和管理来自极低输入电源电压剩余能量的高集成度DC/DC转换器。不过,这种状况即将发生改变。

缺失的一环

凌力尔特近期推出了其LTC3108,这是一款超低电压升压型转换器和电源管理器,专为极大地简化采集和管理来自极低输入电压电源(例如:热电堆、热电发生器[TEG]、甚至小型太阳能电池)的剩余能量的任务而设计。其升压拓扑结构可在低至20mV的输入电压条件下运作。这是很重要,因为它使得LTC3108能够从一个温度变化量小至1℃的TEG收集能量——相比之下,由于分立型实现方案高静态电流的原因,其想要做到这一点则相当吃力。

图2中给出的电路采用了一个小的升压型变压器,用于提升至一个LTC3108的输入电压电源,这样就提供了一款适合无线检测和数据采集的完整电源管理解决方案。它能够采集小的温差并生成系统电源,而并未使用传统的电池电源。

解决工业能源采集问题的技术

图2:在无线远程传感器应用中使用的LTC3108从一个 TEG(PelTIer Cell)来供电

LTC3108利用一个耗尽型N沟道MOSFET开关来形成一个谐振升压振荡器(采用一个外部升压变压器和一个小耦合电容器)。这使得它能够将一个低至20mV的输入电压升举至足够高的电平,以提供多个用于给其他电路供电的已调输出电压。振荡的频率由变压器副端绕组的电感决定,通常在20kHz至200kHz的范围内。

对于低至20mV的输入电压,建议采用一个约 1:100 的主-副端匝数比。对于较高的输入电压,可采用一个较低的匝数比。这些变压器是标准的市售元件,而且随时可以向磁性元件供应商订购。20mV的低电压运作正是凭借我们的复合耗尽型N沟道MOSFET得以实现的。

由图3可见,LTC3108采取了一种解决复杂问题的“系统级”方法。它能够转换低电压电源并管理多个输出之间的能量。在变压器副端绕组上产生的AC电压采用一个外部充电泵电容器(连接在副端绕组和引脚C1之间)以及LTC3108内部的整流器进行升压和整流。该整流器电路将电流馈入VAUX引脚,并把电荷输送至外部VAUX电容器,而后至其他输出。

内部2.2V LDO可支持一个低功率处理器或其他的低功率IC。该LDO由VAUX和VOUT两者当中数值较高的那个来供电。这使得它能够在VAUX充电至2.3V(此时VOUT存储电容器仍然处于充电过程之中)时立即进入运行状态。如果 LDO输出端上存在一个阶跃负载,则在VAUX降至低于VOUT的情况下电流可以取自主VOUT电容器。LDO输出能够提供高达3mA的电流。

解决工业能源采集问题的技术

图3:LTC3108方框图

VOUT上的主输出电压从VAUX电源来充电,并可由用户采用电压选择引脚VS1和VS2设置为4种已调输出电压之一。4种固定输出电压是:2.35V(用于超级电容器)、3.3V(用于标准电容器)、4.1V(用于锂离子电池终端)或5V(用于较高的能量存储)和一个主系统电源轨(用于给一个无线发送器或传感器供电)—— 从而免除了增设阻值达数兆欧(MΩ)的外部电阻器的需要。因此,与那些需要非常大阻值电阻器的分立型设计不同,LTC3108并不要求采用特殊的电路板涂层以最大限度地减少泄漏。

第二个输出(VOUT2)可以由主微处理器采用VOUT2_EN引脚来接通和关断。当被使能时,VOUT2通过一个P沟道MOSFET开关与VOUT相连。该输出可用于为诸如传感器或放大器等不具备低功率睡眠或停机功能的外部电路供电。作为楼宇温度自动调节器内置检测电路一部分的MOSFET的上电和断电便是此类实例之一。

VSTORE电容器可以具有非常大的电容值(几千μF甚至F),以在有可能失去输入电源的时候提供保持作用。一旦上电操作完成,则主输出、备用输出和开关输出均可使用。如果输入电源发生故障,则操作仍然能够借助VSTORE电容器的供电而得以持续。VSTORE输出可用于在VOUT达到稳压状态之后对一个大存储电容器或可再充电电池进行充电。在VOUT达到稳压状态以后,将允许VSTORE输出充电至高达VAUX电压(该电压被箝位于5.3V)。VSTORE上的电能存储元件不仅能够在失去输入电源的情况下用于给系统供电,而且还能够在输入电源所具备的能量不足时用于补充VOUT1、VOUT2和LDO输出所需要的电流。

一个电源良好比较器负责监视VOUT电压。一旦VOUT充电至其已调电压的7%以内,则PGOOD输出将走高。如果VOUT从其已调电压下降9%以上,则PGOOD将走低。PGOOD 输出专为驱动一个微处理器或其他芯片I/O而设计,且并非用于驱动诸如 LED 等较高电流负载。

结论

总之,LTC3108热能采集、DC-DC升压型转换器和系统管理器是一款革命性的器件,可以从太阳能电池、热电发生器或其他相似的热源获得能量。该器件独特的谐振功率转换器拓扑结构使其能够在20mV的极低输入电压条件下启动。在目前市面上用于构成完整能量采集链的解决方案中,它所拥有的高集成度(包括电源管理控制器和市售的外部元件)令其成为其中体积最小、结构最简单且易于使用的一款。

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TDK集团新近推出新型的爱普科斯(EPCOS)MKP(金属化聚丙烯)薄膜电容器系列产品(B3275*...

发表于 2018-04-07 22:04 671次阅读
适合交流电应用的新型MKP薄膜电容器

具备更高额定电压的CeraLink陶瓷电容器

TDK集团的CeraLink™系列电容器新增了两宽额定电压为900VDC的薄化型(LP)产品。这两种...

发表于 2018-04-07 21:56 916次阅读
具备更高额定电压的CeraLink陶瓷电容器

线圈一体型负电压输出电压”micro DC/DC...

最适于输入电压变动的设备的稳定化负电源电路,支持负电压输出-3.3V 特瑞仕半导体株式会社研发了支持...

发表于 2018-04-06 10:32 312次阅读
线圈一体型负电压输出电压”micro DC/DC...

一文看懂人体的安全电压与安全电流是多少

行业规定 安全电压为不高于36V,持续接触安全电压为24V,安全电流为10mA, 电击对人体的危害程...

发表于 2018-04-03 17:15 368次阅读
一文看懂人体的安全电压与安全电流是多少

42v是安全电压吗_国家规定的安全电压是多少伏

安全电压是指不致使人直接致死或致残的电压,一般环境条件下允许持续接触的“安全特低电压”是36V。行业...

发表于 2018-04-03 16:59 973次阅读
42v是安全电压吗_国家规定的安全电压是多少伏

电压升和电压降的区别在哪里

本文开始介绍了回路电压升或电压降的概念,其次介绍了电压升和电压降的区别以及介绍了电压降的测量,最后介...

发表于 2018-04-03 16:29 911次阅读
电压升和电压降的区别在哪里

国内外常用电子元器件型号命名规则比如:电阻器,电...

国内外常用电子元器件型号命名规则(涨知识了)1.电阻器举例:RJ76表示精密金属膜电阻器R——电阻器...

发表于 2018-04-03 14:08 1034次阅读
国内外常用电子元器件型号命名规则比如:电阻器,电...

电缆电压损失如何计算_电缆电压损失表

本文开始介绍了电压损失的概念,其次详细的阐述了电缆电压损失的计算方法。最后详细介绍了电缆电压损失表。

发表于 2018-04-03 11:03 1237次阅读
电缆电压损失如何计算_电缆电压损失表

安装电路板后电容器发生断裂的原因?

安装于电路板时受到机械/热应力、安装后电路板弯曲等机械应力是造成电容器发生断裂的主要原因。

发表于 2018-04-03 10:20 723次阅读
安装电路板后电容器发生断裂的原因?

最近各国在战略,生物,能源等科技上的动态

中国、美国及西班牙研究人员发现人类大脑海马体在成年后不再产生新的神经元 据科学美国人3月8日消...

发表于 2018-04-03 10:20 688次阅读
最近各国在战略,生物,能源等科技上的动态

国家发布《分布式发电管理办法》我国分布式发电正迎...

日前,国家能源局发布意见函,广泛征求《分布式发电管理办法(征求意见稿)》的意见。为方便各方准确理解政...

发表于 2018-04-03 09:19 631次阅读
国家发布《分布式发电管理办法》我国分布式发电正迎...

从能源互联网到能源区块链,数字化为其提供了机遇

能源是一个古老而又厚重的行业,区块链则是一个颠覆性的新兴技术。能源与区块链的碰撞颇有跨界的意味,那它...

发表于 2018-04-03 09:15 1456次阅读
从能源互联网到能源区块链,数字化为其提供了机遇

电压与电压降是一个概念吗?有什么区别吗

本文开始介绍了电压的分类和电压的作用,其次介绍了电压降的相关概念和电压降产生的原因,最后分析了电压与...

发表于 2018-04-03 09:00 1700次阅读
电压与电压降是一个概念吗?有什么区别吗

万能表使用中必须掌握的14个小技巧能让你事半功倍

我们都知道万用表是电力作业人员工作中不可缺少的常用维修工具,正确的使用万用表不仅能让我们的工作事半功

发表于 2018-04-03 08:42 756次阅读
万能表使用中必须掌握的14个小技巧能让你事半功倍

高诱电系陶瓷电容器老化特性

高诱电系的积层陶瓷电容器的静电容量,以经过125℃以上的热处理24小时后的值作为基准,与时间成对数关...

发表于 2018-04-02 15:32 569次阅读
高诱电系陶瓷电容器老化特性

开关电源传导、辐射处理案例,通过整改调整Layo...

注:在最初的设计中,预留电感L1、L2,CBB电容C1、C2作为传导测试元件,预留磁珠FB1、陶瓷贴...

发表于 2018-04-02 09:13 1070次阅读
开关电源传导、辐射处理案例,通过整改调整Layo...

电容为什么叫法拉?电容器是如何装电又如何放电?

关于电容器装电的本领——静电容量的大小可以通过公式C=Q/U进行测算,当然现在有很多专用的仪器可以直...

发表于 2018-04-02 09:04 1013次阅读
电容为什么叫法拉?电容器是如何装电又如何放电?

全球能源互联网的发展对经济增长具有强劲拉动作用

近日举行的2018全球能源互联网大会上获悉,目前全球能源互联网电网互联项目库涉及交流项目总数49个,...

发表于 2018-04-01 09:56 704次阅读
全球能源互联网的发展对经济增长具有强劲拉动作用

超级汇总:关于电容器基础知识都在这里

一、电容 所谓电容,就是容纳和释放电荷的电子元器件。电容的基本工作原理就是充电放电,通交流,隔直流。...

发表于 2018-03-31 11:00 2272次阅读
超级汇总:关于电容器基础知识都在这里

关于仪表电缆电压等级详解

-铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套圆型电缆(电线)BVVB--铜芯聚氯乙烯绝缘聚氯乙烯护套平型电缆(电线...

发表于 2018-03-30 15:42 357次阅读
关于仪表电缆电压等级详解

仪表电缆电压等级分类详情

仪表电缆电压,听到这个代名词都觉得非常有深意,是的,除了非专业人士,我相信,基本没有人能正确的分析、...

发表于 2018-03-30 15:38 287次阅读
仪表电缆电压等级分类详情

电容器是如何工作的概述

通过本文浅显易懂的了解电容器是如何工作的?

发表于 2018-03-29 10:46 668次阅读
电容器是如何工作的概述

能威胁人生命的到底是电压还是电流?

我们都知道要远离高电压,因为高电压对人来说是危险的,这是一个常识。触摸到高电压的东西,人就会发生危险...

发表于 2018-03-29 09:24 475次阅读
能威胁人生命的到底是电压还是电流?

采用去耦和不采用去耦缓冲电路差异

在担任应用工程师之前,我在TI 的职位是 IC 测试开发工程师。我的项目之一是对 I2C 温度传感器...

发表于 2018-03-27 09:13 2477次阅读
采用去耦和不采用去耦缓冲电路差异

关于陶瓷电容你不知道的一些事(阻抗频率特性与失效...

1900年意大利L.隆巴迪发明陶瓷介质电容器。30年代末人们发现在陶瓷中添加钛酸盐可使介电常数成倍增...

发表于 2018-03-26 16:38 1332次阅读
关于陶瓷电容你不知道的一些事(阻抗频率特性与失效...

各种电子原件在电路中的作用

目前电子元件在生活中已经普遍存在,本文主要详细介绍了八种电子原件在电路中的作用。

发表于 2018-03-26 11:02 1281次阅读
各种电子原件在电路中的作用

丰田发布首款“复合燃料混合动力技术”实验车

2018年3月20日,丰田 汽车公司在巴西圣保罗市首次发布了全球首款在将汽油与乙醇作为燃料行驶的复合...

发表于 2018-03-25 09:46 444次阅读
丰田发布首款“复合燃料混合动力技术”实验车

电容器的ESD耐性

人体和设备所携带的静电向整机及电子元件放电时,由于增加了冲击性的电磁能量,则产品必须具备一定量ESD...

发表于 2018-03-23 16:07 1201次阅读
电容器的ESD耐性

面向园区微网的“源-网-荷-储”一体化运营模式

微网“源-网-荷-储”一体化运营及投资回报的核心,不是从政府补贴中,而是从电价中赚取,其关键是分布式...

发表于 2018-03-23 14:07 724次阅读
面向园区微网的“源-网-荷-储”一体化运营模式

三年能源工作指导意见对比,分布式能源发展迎机遇

日前,国家能源局印发《2018年能源工作指导意见》(以下简称指导意见),对于2018年能源行业的发展...

发表于 2018-03-23 13:58 533次阅读
三年能源工作指导意见对比,分布式能源发展迎机遇

何为有效值?何为均方根?

从定义出发计算有效值,即,交流电与直流电分别通过同一电阻,若两者在相同的时间内所消耗的电能相等(或产...

发表于 2018-03-22 16:39 958次阅读
何为有效值?何为均方根?

钳形万用表怎么测电压_钳形万用表的使用方法

本文开始介绍了万用表原理和万用表的组成,其次详细说明了钳形万用表测电压的方法,最后介绍了钳形万用表使...

发表于 2018-03-22 16:00 715次阅读
钳形万用表怎么测电压_钳形万用表的使用方法

能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势

能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势!

发表于 2018-03-22 15:50 753次阅读
能源转型中我国新一代电力系统技术发展趋势

为什么回路电流走零线不走地线,零线地线原理是什么...

我们再来看图1。图1中的中性线发生了断裂,于是在断裂点的前方,中性线的电压依旧为零,但断裂点的后方若...

发表于 2018-03-22 15:02 892次阅读
为什么回路电流走零线不走地线,零线地线原理是什么...

2018年能源体制改革迎来升级版,相关红利将加速...

全国政协委员、南方电网公司总经理曹志安也介绍说,通过输配电价改革、市场化交易和减税降费,降低实体经济...

发表于 2018-03-20 16:51 898次阅读
2018年能源体制改革迎来升级版,相关红利将加速...

多样化的电容器不断涌现,区别关键在于介质

性能就是使用的要求,需求最大化就是使用的要求。如果在电视机里电源部分用金属氧化膜电容器做滤波的话,而...

发表于 2018-03-19 08:32 454次阅读
多样化的电容器不断涌现,区别关键在于介质