瞬态能量捕获与回收系统实战

📚 共计 30 章节

能量捕获概述

瞬态能量来源（振动、热能、射频）、能量捕获基本原理、应用场景（物联网、可穿戴设备）。

压电能量捕获

压电效应原理、压电材料特性、单晶与双晶悬臂梁结构设计、等效电路模型。

压电悬臂梁

电磁能量捕获

法拉第电磁感应定律、线圈与磁铁结构设计、谐振频率匹配、微型发电机设计。

电磁发电机

热电能量捕获

塞贝克效应、热电材料（Bi₂Te₃、PbTe）、温差发电模块设计、冷端散热优化。

射频能量捕获

天线设计基础、整流天线（Rectenna）原理、阻抗匹配网络、多频段能量收集。

能量存储基础

超级电容 vs 锂电池特性、充放电管理、电池寿命与循环次数、自放电率对比。

电源管理芯片（PMIC）

BQ25570、LTC3108、ADP5091 选型与对比、最大功率点跟踪（MPPT）原理。

整流与升压电路

全桥整流、倍压整流、DC-DC升压转换器（Boost Converter）、低电压启动电路。

低功耗微控制器选型

STM32L0、MSP430、EFM32 对比、休眠模式与唤醒策略、外设功耗管理。

系统架构设计

能量流图、功率预算计算、负载匹配、冗余设计原则。

传感器接口设计

低功耗传感器选型（加速度计、温度传感器）、I²C/SPI 总线功耗优化、数据采集策略。

无线通信模块

LoRa、BLE、Zigbee 功耗对比、数据包大小与传输间隔优化、射频前端匹配。

事件驱动编程、状态机设计、任务调度器、低功耗 RTOS 选型（FreeRTOS、Zephyr）。

能量感知算法

动态电压频率调整（DVFS）、任务卸载决策、能量预测模型（EWMA、卡尔曼滤波）。

PCB 设计要点

低功耗布局、电源走线宽度计算、地平面分割、去耦电容放置规则。

电磁兼容性（EMC）

辐射发射抑制、滤波电路设计、屏蔽罩使用、PCB 层叠结构优化。

热阻网络计算、散热器选型、热仿真工具（FloTHERM）、热电耦合分析。

振动能量捕获实战

压电悬臂梁有限元仿真（COMSOL）、谐振频率调谐、输出功率测试。

热能能量捕获实战

TEG 模块选型、温差测试平台搭建、最大功率点跟踪算法实现。

射频能量捕获实战

天线设计与仿真（HFSS）、整流电路焊接与调试、输出直流电压测量。

多源混合能量捕获

能量叠加策略、优先级仲裁、混合存储管理、系统效率优化。

电源管理电路调试

示波器测量纹波、升压效率测试、MPPT 算法验证、启动时间优化。

固件开发实战

低功耗外设驱动编写、ADC 采样与 DMA 传输、RTC 定时唤醒与深度休眠。

数据通信实战

LoRa 模块 AT 指令配置、BLE 广播包设计、数据加密与完整性校验。

系统集成与测试

整机功耗测量（源表）、能量收支平衡验证、环境适应性测试（温度、湿度）。

可靠性设计

冗余能量路径、看门狗定时器、欠压锁定（UVLO）、故障恢复机制。

可靠性看门狗

BOM 成本分析、国产替代方案、制造工艺选择（SMT vs 手工焊接）、测试成本控制。

行业标准与认证

CE/FCC 认证要点、RoHS 合规、IP 防护等级、电池安全标准（UN38.3）。

工业振动监测节点、可穿戴体温发电手环、智能建筑射频供电传感器。

案例可穿戴

柔性压电材料、量子点热电材料、环境射频能量地图、AI 驱动的能量管理。