電路保護與能量存儲

一般而言，電路保護通常涉及確保過多的能源不會損壞或阻礙電路的運行。但是，隨著低能耗解決方案變得越來越流行，是否可以將這種額外的能源重新用于其他用途?

低能耗解決方案

隨著技術(shù)影響力的不斷提高以及電子產(chǎn)品成本的下降，不足為奇的是，到本十年末，我們可以很好地看到某個電路正在處理生活的方方面面。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的興起見證了無數(shù)的感官數(shù)據(jù)的收集，而晶體管尺寸的減小則見證了在硅片上制造的功率驚人的處理器，其大小不超過一粒米。

確實，這種技術(shù)的豐富性使設(shè)計人員希望突破電子設(shè)備可操作的范圍，這導(dǎo)致電子設(shè)備在惡劣的偏遠環(huán)境(如海洋，沙漠和太空)中得以實現(xiàn)。在此類環(huán)境中進行設(shè)計時，設(shè)計人員必須了解，電路不僅必須能夠在這些環(huán)境中運行(例如化學(xué)損傷，熱和輻射)，而且還需要電源。

電源的變化很大，每種電源都有其自身的優(yōu)點和缺點，包括可靠性，存儲能力和實用性。通過使用睡眠周期減少功耗，可以最大程度地減少對電源的依賴，但是即使如此，仍然需要電源。

一種看似有希望的技術(shù)是能量收集。該解決方案使電路吸收周圍環(huán)境中的能量，存儲該能量，然后將其轉(zhuǎn)換為更有用的格式。這些來源包括太陽，風(fēng)和振動。但是，這里是否有一種替代能源實際上被忽視了?

電路保護目的

如前所述，電路保護的基本目的是將有害能源從容易損壞的敏感電路中轉(zhuǎn)移出去。這種轉(zhuǎn)移可通過多種技術(shù)來實現(xiàn)，包括防止電壓超過電路閾值的鉗位二極管或防止大量電流流過電路的PTC可復(fù)位保險絲。

大多數(shù)現(xiàn)代電路保護技術(shù)都涉及轉(zhuǎn)移或消散多余的能量，無論它來自靜態(tài)來源(例如人)還是來自意外的電涌(例如來自配電網(wǎng)絡(luò)的電涌)。如果電路保護的目的是防止有害能量損壞組件，那么該能量是否可以存儲而不是消散?如何在設(shè)計中實現(xiàn)這一點?這樣的系統(tǒng)將使哪些應(yīng)用受益?

能量收集和電路保護

典型的能量收集技術(shù)涉及直接連接到其能量源的能量存儲元件(例如電容器)，并且它們之間的電路最少。例如，太陽能電池可以連接至電容器，該電容器又連接至DC/ DC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)電容器兩端的電壓達到特定閾值時，DC/ DC轉(zhuǎn)換器可以使電壓升高，然后為主電路供電。從簡單的信標(biāo)到物聯(lián)網(wǎng)傳感器，一切都可以。

但是，從有害來源轉(zhuǎn)換能量可能會出現(xiàn)問題，因為必須從能源路徑轉(zhuǎn)移能量來源，而不是從專用的電力路徑轉(zhuǎn)移能量。為了更好地理解這個設(shè)計問題，讓我們看一下兩種不同的情況;ESD源和電感性元件。

ESD源

靜電放電源通常是很短時間內(nèi)的高壓。日常ESD來源的常見示例包括層壓地板上的購物車和摩擦皮膚的衣服。在這兩個示例中，產(chǎn)生的電壓可能高達10KV，它們可能導(dǎo)致人跳下來。

由于靜電沖擊的長度通常在毫秒范圍內(nèi)，因此傳遞的總能量非常小，這就是為什么這些源對人體無害的原因。而且，許多電路現(xiàn)在都基于CMOS技術(shù)，其中包括難以置信的薄柵極。這些柵極極易受到電介質(zhì)擊穿的影響，這就是為什么靜電沖擊很容易損壞它們的原因(因此需要防靜電包裝等)。保護免受此類干擾的方法通常包括使用齊納二極管，其鉗位電壓超過規(guī)定范圍(例如5V邏輯電路為5.1V)。

從ESD源轉(zhuǎn)移能量將很困難，因為電路必須能夠以最小的功率快速做出響應(yīng)。因此，這種方法將需要依賴于模擬電路(即，沒有有源微控制器或數(shù)字邏輯)，其中一種可能的布置是使用雷卯電子晶閘管TSS。高于所需電平(例如5.1V)的電壓可能會導(dǎo)致二極管配置將主電路與ESD電源電隔離，然后電連接功率存儲元件(例如超級電容器)?？梢詫崿F(xiàn)此目的的組件將是基于PN結(jié)的組件，例如二極管，SCR和晶閘管。

該電路設(shè)計中的挑戰(zhàn)將是確保電路在將能量轉(zhuǎn)移到存儲元件的同時，將其與ESD源電隔離，而不是通過二極管將其散發(fā)為熱量。這種用于能量收集的方法在可穿戴應(yīng)用中將非常有益，因為運動會產(chǎn)生振動，而機械能也會產(chǎn)生靜電。ESD能量存儲在很少使用的遠程環(huán)境(例如監(jiān)控站)中不可行。

感應(yīng)源

由于電路反電勢的存在，在電路保護方面，電感元件對于電路設(shè)計人員而言可能是個大問題。電感器實質(zhì)上是電磁體的一種形式，其中當(dāng)電流流過時，會產(chǎn)生磁場。如果通過電感器的電流保持恒定，則產(chǎn)生的磁場也將恒定。另一方面，如果電流變化，則磁場的合成強度也會變化。如果您愿意，這種變化的磁場會在電感器中感應(yīng)出一個電壓，該電壓的極性與變化的電流相反。這種抗變化能力在濾波器電路中很有用，從而可以阻止電流的突然變化(例如電涌)，從而防止損壞路徑上的電路。不過，值得注意的是電感可能是電路損壞的潛在來源，尤其是在涉及開關(guān)電路的情況下。繼電器線圈是一個常見的例子，其中反電動勢會損壞電路，否則可通過反極性二極管對其進行保護。由于唯一的電壓源是電源，因此打開繼電器線圈不會導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時)。當(dāng)繼電器線圈斷電時，坍塌的磁場會產(chǎn)生非常大的反電動勢，通常以數(shù)百伏為單位進行測量。通過使用反激二極管解決了這個問題，該反激二極管實質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動勢進入敏感的開關(guān)電路，例如晶體管。繼電器線圈是一個常見的例子，其中反電動勢會損壞電路，否則可通過反極性二極管對其進行保護。由于唯一的電壓源是電源，因此打開繼電器線圈不會導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時)。當(dāng)繼電器線圈斷電時，坍塌的磁場會產(chǎn)生非常大的反電動勢，通常以數(shù)百伏為單位進行測量。通過使用反激二極管解決了這個問題，該反激二極管實質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動勢進入敏感的開關(guān)電路，例如晶體管。繼電器線圈是一個常見的例子，其中反電動勢會損壞電路，否則可通過反極性二極管對其進行保護。由于唯一的電壓源是電源，因此打開繼電器線圈不會導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時)。當(dāng)繼電器線圈斷電時，坍塌的磁場會產(chǎn)生非常大的反電動勢，通常以數(shù)百伏為單位進行測量。通過使用反激二極管解決了這個問題，該反激二極管實質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動勢進入敏感的開關(guān)電路，例如晶體管。由于唯一的電壓源是電源，因此打開繼電器線圈不會導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時)。當(dāng)繼電器線圈斷電時，坍塌的磁場會產(chǎn)生非常大的反電動勢，通常以數(shù)百伏為單位進行測量。通過使用反激二極管解決了這個問題，該反激二極管實質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動勢進入敏感的開關(guān)電路，例如晶體管。由于唯一的電壓源是電源，因此打開繼電器線圈不會導(dǎo)致電壓尖峰(當(dāng)觀察到電流尖峰時)。當(dāng)繼電器線圈斷電時，坍塌的磁場會產(chǎn)生非常大的反電動勢，通常以數(shù)百伏為單位進行測量。通過使用反激二極管解決了這個問題，該反激二極管實質(zhì)上使繼電器線圈短路，并防止大的反電動勢進入敏感的開關(guān)電路，例如晶體管。

可以將來自電感器的反電動勢存儲到能量收集電路中，但這樣做與存儲ESD能量具有類似的挑戰(zhàn)。短暫的能量脈沖將必須由不依賴于外部電源或處理系統(tǒng)的電路來處理。這可以通過齊納二極管裝置來實現(xiàn)，該齊納二極管裝置在被激活時將敏感控制電路與電感器電隔離。然后，電容器組將能夠存儲反電動勢和以后重新利用的能量。這種在同時保護電路的同時進行能量收集的方法可以在諸如門鎖之類的低功率家庭自動化設(shè)備中實施，這是控制螺線管所必需的，但僅短暫使用。

結(jié)論

在最長的時間內(nèi)，電子產(chǎn)品已內(nèi)置在具有某種可靠電源(無論是電池還是電源)的產(chǎn)品中。隨著將電子設(shè)備安裝到各種位置的需求以及對更節(jié)能系統(tǒng)的需求，能量收集已成為該行業(yè)越來越受歡迎的領(lǐng)域。

隨著電子設(shè)備的能源需求不斷減少，來自小來源(如ESD和感應(yīng)電壓)的可用能量也隨之增加。下一代智能健康傳感器是否將采用ESD供電?電池的鎖是否可以使用多年?電路保護會進入能量存儲嗎?時間會證明一切。

雷卯電子積累了各行業(yè)應(yīng)用的電路保護方案。