技術(shù)進(jìn)步的速度是難以想象的。從電子產(chǎn)品到計(jì)算機(jī)芯片，技術(shù)進(jìn)步驚人。因此，我們發(fā)現(xiàn)自己被小工具包圍，無(wú)論是智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、可穿戴設(shè)備還是其他物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備。但是有一個(gè)領(lǐng)域仍然缺乏進(jìn)展并延遲技術(shù)突破：電池的快速放電和低電荷存儲(chǔ)。這將本文的重點(diǎn)放在可再生能源上，并利用這些能源為小工具自供電。

本文介紹的項(xiàng)目旨在開發(fā)兩種類型的可再生能源，例如熱能和射頻 (RF)。通過這兩種能源的集合，可以為超低功耗設(shè)備供電并影響物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。

引言

根據(jù)物理定律，系統(tǒng)的總能量是守恒的，具有從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式的可能性。一個(gè)典型的例子是兩個(gè)臺(tái)球碰撞產(chǎn)生的“能量聲音”和接觸點(diǎn)產(chǎn)生的熱量。在這種情況下，聲音是一個(gè)源自周圍空氣分子振動(dòng)的過程。這種振動(dòng)在數(shù)學(xué)上可以表示為一種波，但對(duì)于人耳來說，它表現(xiàn)為一種聲音，其強(qiáng)度與沖擊力有關(guān)。因此，能量可以從一種形式轉(zhuǎn)換為另一種形式。

有不同的環(huán)境能源可以從中獲取電力。

• 熱能。在我們周圍的環(huán)境中，溫度和熱流的差異無(wú)處不在。典型的例子是來自汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱、來自地下的地?zé)?、來自鋼鐵廠冷卻水或其他工業(yè)過程的熱量。通過使用熱電發(fā)電機(jī)和一些電路將熱能轉(zhuǎn)換為電能并將其保存到存儲(chǔ)設(shè)備中，可以將熱能轉(zhuǎn)換為電能。基本原理是熱電發(fā)電機(jī)（TEG）將熱通量（溫差）轉(zhuǎn)化為電能。它們沒有移動(dòng)部件，通常尺寸非常小，非常適合低功耗嵌入式設(shè)備。
• 射頻 (RF) 能量。今天，它代表了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中電源的極大興趣。通過無(wú)線配電系統(tǒng)，有可能擁有一個(gè)自組織基礎(chǔ)設(shè)施，能夠?yàn)橛蓴?shù)百或數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)供電，并使用單個(gè)傳輸源。

射頻能量可以通過使用射頻能量收集器轉(zhuǎn)換為電能。這些采集器將射頻能量轉(zhuǎn)換為電能。今天，我們周圍都有由 GSM、LTE、Wi-Fi、無(wú)線電波等產(chǎn)生的射頻能量。所有這些信號(hào)都存在于任何商業(yè)、住宅和工業(yè)區(qū)域。

這些技術(shù)研發(fā)的真正挑戰(zhàn)是恢復(fù)公共電信服務(wù)傳輸?shù)碾娏Γ珉娨暫蜔o(wú)線電廣播或移動(dòng)通信。

項(xiàng)目

對(duì)于熱能收集，我們將使用 BQ25570 IC，它可以從熱電發(fā)電機(jī)中提取微瓦到毫瓦。它還有一個(gè)電源管理系統(tǒng)，通過使用雙電路來提高電壓，同時(shí)防止電池過度充電或爆炸。

For RF harvesting, we will be using the P2110 IC, and its RF antenna and front end. It is fine-tuned with the frequency band of 902–928 Mhz. It will operate on other bands as well but at lower efficiency. This band has a center frequency of 2G, which is all around us in any part of the living world, and it allows us to harvest energy in every part of the earth.

By combining these sensors, we can use these energies to self-power a gadget or a low-power wearable device. In this way, we do not need to recharge it after some time. The project can be combined with a supercapacitor for full ultra-low power management.

The block diagram for the integration of both RF and thermal harvesting circuits is shown in Figure 1.

Figure 1: Block diagram of the project

The components used in this project are as follows.

• 1 × TG.22.0222 (RF ANT 850-MHz/900-MHz WHIP RA)
• 1 × TG12-2.5-01LS (TEM GENERATOR 30 × 30 × 3.94 mm)
• 1 × BQ25570 IC
• 1 × P2110 IC

The electrical circuit for this project is shown in Figure 2.

Figure 2: Electrical circuit of the project

The process starts when the thermoelectric generator has enough difference of temperature across its plates to generate a voltage on its terminals. The power will be extracted by BQ25570, ranging from microwatts to milliwatts according to the temperature difference. Then the integrated boost converter will boost the voltage to 3.3 V at 93% efficiency.

Moreover, RF energy will be converted into electrical energy by the P2110 RF harvester. This RF power will enter at the antenna, and it will then convert to DC source through its integrated impedance matching circuit. A capacitor is added at the output to store power when the device is using less current than the harvester circuit is generating. Both powers will then be combined so that they can operate simultaneously. Even if one of the harvesting sources is weak, the other will continue providing power, and the system keeps running.

Important details for hardware design

For energy-harvesting purposes, there are two options: Either use capacitors to store the incoming power or use a battery to store that charge. We are using a capacitor in this project.

Here are some guidelines for selecting the capacitor:

• 選擇具有低 ESR（小于 200 mΩ）的電容器。
• 泄漏電流在 1.2 V 時(shí)必須小于 1 μA。
• 大電容充電慢，但可以存儲(chǔ)大量電流；小電容器充電非?？?，并增加了啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)應(yīng)用，可以使用以下公式更改電容器的值：C = 15 × Vout × Iout × Ton

在哪里：

• Vout = P2110 的輸出電壓
• Ton = IC 開啟時(shí)間
• Iout = P2110 的平均輸出電流

IC 的 RF 輸入引腳可容納任何標(biāo)準(zhǔn)天線。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，使用了 50-Ω 天線，這對(duì)于大多數(shù) RF 設(shè)備來說很常見，用于阻抗匹配。P2110 可以連接多種類型的天線。直流短路的天線必須有一個(gè)與天線串聯(lián)的隔直電容器。

由于 RF 非常容易受到噪聲和 EMI 干擾，因此在設(shè)計(jì) PCB 時(shí)需要格外小心。最重要的是走線天線的阻抗匹配。由于這個(gè)天線是我們的電源，阻抗匹配得越多，這個(gè)采集器電路在射頻側(cè)的效率就越高。RF 走線必須嚴(yán)格為 50 Ω，并且長(zhǎng)度必須盡可能短。

應(yīng)使用過孔將 GND 引腳連接到電路板接地。所有電阻和電容必須盡可能靠近 IC。

RF 采集器和熱采集器 IC 都使用具有高峰值電流和高開關(guān)頻率的開關(guān)電源。PCB 布局需要特別小心，否則系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn) EMI 和穩(wěn)定性問題。

大電流走線應(yīng)具有短而寬的 PCB 走線。從地面返回的路徑應(yīng)盡可能短。旁路電容和存儲(chǔ)電容應(yīng)盡可能靠近 IC 的焊盤。盡量不要在電容器的路徑中使用任何過孔。這些電容器在極端負(fù)載條件下為系統(tǒng)提供了很大的穩(wěn)定性。

為了存儲(chǔ)從熱收集器收集的能量，我們將添加一個(gè)電容器。當(dāng)采集器不再采集電力時(shí)，該電容器將足夠大以向設(shè)備供電。

兩臺(tái)收割機(jī)的輸出功率將合并。這樣可以提高總功率輸出，最大限度地利用兩種環(huán)境能量。在任何情況下，如果熱能不夠，設(shè)備將從射頻采集器獲取電力；或者如果射頻功率較弱，熱能將持續(xù)提供能量。在其他情況下，如果兩種電源均不可用，則兩個(gè)采集器的存儲(chǔ)電容器將保持系統(tǒng)開啟，但時(shí)間有限。熱收集器的好處是它可以用于那些產(chǎn)生熱量并偶爾使用散熱器散熱的系統(tǒng)中。這種熱量收集解決方案非常適合這些情況，因?yàn)槟恍枰褂蒙崞?，并且熱量將被轉(zhuǎn)換回系統(tǒng)，

越來越高效的設(shè)備的出現(xiàn)可以為充分利用能量收集的新解決方案鋪平道路。

審核編輯：劉清