背景信息

從歷史角度看，各種不同類型的傳感器常規(guī)情況下都是通過導(dǎo)線連接到各自的電源。不過，如今可能沒有了在整幢大樓或工廠中到處安裝電纜的挑戰(zhàn)和費(fèi)用，現(xiàn)在可以安裝可靠和工業(yè)強(qiáng)度的無線傳感器，這些傳感器可以靠小型電池甚至從光、振動(dòng)或溫度變化中收集的能量運(yùn)行很多年。此外，還可以結(jié)合使用充電電池和多種環(huán)境能源。而且，由于固有的安全問題，有些充電電池不可能通過導(dǎo)線充電，而是需要通過無線功率傳輸技術(shù)來充電。

最新和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù)產(chǎn)品 (例如: 使用壓電換能器的振動(dòng)能量收集產(chǎn)品和室內(nèi)光伏電池) 在典型的工作條件下可產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這種量級(jí)的功率最初也許看似有限，但是收集組件多年運(yùn)行可能意味著，無論從能量提供還是從所提供的每單位能量的成本看，能量收集產(chǎn)品與長壽命主電池都大致相若。此外，采用能量收集產(chǎn)品的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，這樣的事情由主電池供電的系統(tǒng)是不可能做到的。因此，雖然用能量收集產(chǎn)品給傳感器供電增加了成本，但是這與每隔 7 至 10 年左右更換一次主電池的維護(hù)成本可以相互抵消。

克服障礙

無線和有線傳感器系統(tǒng)常常處于充滿環(huán)境能源的環(huán)境中，這種環(huán)境非常適合給傳感器本身供電。如今普遍得到認(rèn)可的是，能量收集可以顯著地延長已安裝電池的壽命，尤其是當(dāng)功率需求較低時(shí)，除了降低長期維護(hù)成本，還可減少宕機(jī)時(shí)間。盡管有這些好處，采用時(shí)仍然存在一些障礙。最顯著的是，環(huán)境能源常常是間歇性的，或者不夠充足，無法給傳感器系統(tǒng)連續(xù)供電，而主電池電源在其規(guī)定壽命期內(nèi)是極其可靠的。因此，一些系統(tǒng)設(shè)計(jì)師也許不愿意將其系統(tǒng)升級(jí)成可收集環(huán)境能源，尤其是當(dāng)無縫集成很重要時(shí)。

不過，大多數(shù)部署方案都會(huì)將環(huán)境能源作為主電源，但是會(huì)用一個(gè)電池作為對(duì)主電源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能源消失或中斷，就可以接入主電池。這個(gè)電池可以是充電電池，也可以不是，如何選擇通常由最終應(yīng)用本身決定。因此，可以得出的必然結(jié)論是，如果最終部署允許非常方便地更換非充電電池，維護(hù)人員可以輕而易舉、具成本效益地進(jìn)行更換，那么使用非充電電池就有經(jīng)濟(jì)意義。不過，如果更換電池非常麻煩而且成本較高，那么采用充電電池就更有經(jīng)濟(jì)意義。

即使選擇充電電池，對(duì)于充電的最佳方法仍然有多個(gè)問題。影響充電方法選擇的因素有：

1) 存在有線電源給電池充電嗎?

2) 環(huán)境能源能提供充足的功率嗎? 從而有充足功率可用來給無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 供電，并給電池充電。

3) 由于部署環(huán)境的危險(xiǎn)性質(zhì)而導(dǎo)致固有的安全要求時(shí)，需要無線功率傳輸以給電池充電嗎?

無論具體的能量收集部署需要什么樣的解決方案，都有很多 IC 解決方案可為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供必要的性能特性，以簡化并方便地滿足其系統(tǒng)的需求。

簡單和有效的解決方案

凌力爾特公司的 LTC3107 是一款高集成度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，通過收集和管理來自 TEG (熱電發(fā)生器) 和熱電堆等極低輸入電壓源的剩余能量，延長了低功率無線系統(tǒng)中主電池的壽命。

使用 LTC3107 時(shí)，負(fù)載點(diǎn)能量收集器需要很小的空間，只要足夠容納 LTC3107 3mm x 3mm DFN 封裝和幾個(gè)外部組件即可。通過產(chǎn)生跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，LTC3107 可以無縫地采用，以給新的和已有的電池供電設(shè)計(jì)提供免費(fèi)熱能收集，以降低成本。此外，LTC3107 與一個(gè)小型熱能源一起，可以延長電池壽命，在有些情況下，可以長達(dá)電池在貨架上的壽命，因此降低了與電池更換有關(guān)和重復(fù)發(fā)生的維護(hù)費(fèi)用。視負(fù)載情況和所收集的可用能量的不同而不同，LTC3107 用來增強(qiáng)電池，或者甚至獨(dú)立給負(fù)載供電。

另一個(gè)例子是 LTC3331，這是一款完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，提供高達(dá) 50mA 連續(xù)輸出電流，以當(dāng)可收集能量可用時(shí)，延長電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，而且當(dāng)在無負(fù)載條件下用電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源和一個(gè)用可充電主電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，可為無線傳感器節(jié)點(diǎn)和 IoT 設(shè)備等能量收集應(yīng)用產(chǎn)生單個(gè)非中斷輸出。

圖 1：LTC3331 轉(zhuǎn)換多種能源，可使用一個(gè)可充電主電池

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性 (AC) 源收集能量。10mA 分流用收集的能量實(shí)現(xiàn)了簡單的電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能針對(duì)深度放電保護(hù)電池�？沙潆婋姵貫樵� 1.8V 至 5.5V 輸入范圍內(nèi)運(yùn)行的同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，在收集能量不可用時(shí)使用，無論輸入高于、低于或等于輸出，都可以調(diào)節(jié)輸出，LTC3331 電池充電器有一種非常重要的電源管理功能，當(dāng)應(yīng)對(duì)微功率電源時(shí)，這種功能不可忽視。LTC3331 包括電池充電器邏輯控制，這樣該器件將僅在能量收集電源有過多的能量時(shí)才給電池充電。沒有這種邏輯功能，能量收集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)過程，無法給預(yù)期應(yīng)用供電。當(dāng)收集能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這就增加了一個(gè)好處，即：如果適合的能量收集電源至少在一半時(shí)間內(nèi)可用，靠電池運(yùn)行的 WSN 就能夠?qū)⒐ぷ鲏勖鼜?10 年延長到超過 20 年，如果收集能源存在更加普遍，甚至可延長到更長時(shí)間。該器件還集成了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器，以增加輸出能量存儲(chǔ)。

結(jié)論

為了方便在多種新的和現(xiàn)有的主電池供電應(yīng)用中采用環(huán)境能源收集技術(shù)，凌力爾特推出了適合不同電池電壓使用的能量收集 IC。這包括大多數(shù)流行的、用在較低功率應(yīng)用中的長壽命主電池，例如 3V 幣形鋰電池和 3.6V鋰亞硫酰氯電池。這些產(chǎn)品很容易提供兩全其美的結(jié)果，既俱備電池電源的可靠性，又可達(dá)到能量收集的維護(hù)成本節(jié)省及最低限度的設(shè)計(jì)工作。