工業(yè)控制器的能量收集電路設(shè)計(jì)方案

　　本文將介紹在高可靠性至關(guān)重要的工業(yè)自動(dòng)化中，將能量收集源應(yīng)用于電源節(jié)點(diǎn)所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。文中將探討如何將溫度和振動(dòng)等能量來源與電池系統(tǒng)和無線鏈路相結(jié)合，從而確保傳感器節(jié)點(diǎn)可精確地放置于合適的位置，同時(shí)保持最高的可靠性。

　　能量收集技術(shù)可用于提升工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。此類技術(shù)可在不考慮電源或通信鏈路的情況下將傳感器節(jié)點(diǎn)定位于所需位置，從而可提供質(zhì)量更優(yōu)的數(shù)據(jù)。這反過來又為Kalman算法等技術(shù)提供趨勢(shì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有助于識(shí)別可能要發(fā)生的問題，并在故障發(fā)生前進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)或投入備用設(shè)備。

　　能量收集技術(shù)可克服由單一電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)所面臨的挑戰(zhàn)。對(duì)于遍布成千上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)車間而言，維護(hù)和更換電池是一項(xiàng)代價(jià)高昂而耗時(shí)的任務(wù)。然而，人們認(rèn)為能量收集源極不穩(wěn)定，可靠性低，因此通常不會(huì)考慮將其用于生產(chǎn)應(yīng)用。將振動(dòng)、高溫或太陽能等能量收集源與充電電池相結(jié)合則不失為兩全其美之策。獨(dú)立傳感器節(jié)點(diǎn)可輕松放置于難以觸及的位置，而充電電池系統(tǒng)可進(jìn)行數(shù)千次充放電，使節(jié)點(diǎn)使用壽命顯著延長(zhǎng)。

　　然而，這一組合需要能夠從不規(guī)律的弱電流源提供可靠電源的新型電源管理器件。這類器件采用升降壓架構(gòu)以專門管理從不同來源捕獲的電能。

　　利用Midé的VoltureV25W或類似器件收集振動(dòng)所產(chǎn)生的能量是工廠自動(dòng)化中寶貴的電能來源。

　　此壓電器件采用全密閉結(jié)構(gòu)，專門用于惡劣環(huán)境。它可以用作傳感器，也可直接與電源管理芯片和薄膜電池集成以提供可靠的電源。通過轉(zhuǎn)換電機(jī)振動(dòng)所產(chǎn)生的能量，此器件專門用于為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)以及工業(yè)自動(dòng)化裝置中的無線高電壓空調(diào)（HVAC）傳感器供電。此外，還可監(jiān)測(cè)HVAC的狀態(tài)，這一關(guān)鍵功能可確保生產(chǎn)車間的溫度得到嚴(yán)格控制，進(jìn)而確?？煽啃?。

　　傳感器安裝于振動(dòng)源，并調(diào)諧至振動(dòng)源的共振頻率。通常，120Hz交流電機(jī)或60Hz設(shè)備主頻率會(huì)很明顯，調(diào)諧因此較為容易，但大多數(shù)應(yīng)用需要某些振動(dòng)特征化形式，以確保振動(dòng)源以共振頻率運(yùn)行。

　　V25W可與Maxim的MAX17710等電源管理器件連接。這一完整的系統(tǒng)可使能量收集源為微功率蓄電池充電，同時(shí)也可保護(hù)電池。它可以管理輸出水平在1fW到100mW之間的穩(wěn)壓不良能量收集源。同時(shí)，此器件還包含升壓穩(wěn)壓器電路，可使低至0.75V（典型值）的能量收集源為電池充電。

　　內(nèi)部穩(wěn)壓器可防止電池過度充電；向目標(biāo)應(yīng)用提供的輸出電壓通過低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)，且可選電壓為3.3V、2.3V或1.8V。輸出穩(wěn)壓器可選低功耗或超低功耗運(yùn)行模式，從而最大程度地減少電池消耗。內(nèi)部電壓保護(hù)可防止電池過度放電。

　　即便在室內(nèi)生產(chǎn)車間，太陽能電池也是一種可行的電源。Spansion的MB39C831是一種高效同步整流升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，可有效地將從單節(jié)或多節(jié)太陽能電池或熱電發(fā)生器（TEG）獲取的能量提供給鋰離子電池。

　　它通過采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法跟蹤太陽能電池的最大功率點(diǎn)以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出，并利用保護(hù)功能使鋰離子電池安全充電。

　　一般情況下，太陽能電池電壓隨負(fù)載電流變化而變化，因此在最大功率點(diǎn)處工作是關(guān)鍵所在。控制算法在對(duì)比無負(fù)載釋放點(diǎn)的基礎(chǔ)上跟蹤最優(yōu)工作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)最高功率轉(zhuǎn)換效率。

　　使用低壓設(shè)計(jì)（圖3），能夠以0.35V的電壓?jiǎn)?dòng)。該器件適合以單節(jié)太陽能電池作為輸入的應(yīng)用，并以41μA靜態(tài)電流提供3.0V到5.0V輸出，為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。該器件的一個(gè)關(guān)鍵功能在于，它可以在脈沖頻率模式（PFM）和脈沖寬度模式（PWM）間自動(dòng)切換，因此可在低輸出功率期間優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換效率。

　　此自適應(yīng)方案還適用于熱能等電能源。它可以應(yīng)用于生產(chǎn)車間，利用熱差發(fā)電。LairdWPG-1等熱力發(fā)動(dòng)機(jī)可提供高達(dá)1.5mW的有用輸出功率，可處理寬范圍負(fù)載電阻值（圖4）。該器件集成了超低壓升壓轉(zhuǎn)換器，能在小于20°K的小溫差條件下輸出有用功率。輸出功率可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)三種電壓設(shè)定點(diǎn)（3.3V、4.1V或5.0V），然后為傳感器節(jié)點(diǎn)或更大的設(shè)備供電。

　　此裝置是一款自足式薄膜熱電功率發(fā)生器，能收集廢熱并將其轉(zhuǎn)換為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可用的DC輸出功率。針對(duì)不同的熱差或輸出電壓，可提供自定義設(shè)計(jì)服務(wù)來適應(yīng)交替式吸熱和散熱機(jī)制。

　　進(jìn)一步提升能量收集源可靠性的一種方法是，在能量被消耗或存儲(chǔ)于自給電池前使用電容器組將其收集起來。AdvancedLinearDevices的EH300/EH301系列EPAD能量收集模塊可接受來自多種來源的能量，提供3.3V和5.0V傳統(tǒng)輸出，適合具有低功耗斷續(xù)占空比采樣數(shù)據(jù)、基于狀態(tài)的監(jiān)控以及極高使用壽命要求的應(yīng)用。模塊完全由自身供電并始終處于有源模式，因此可接受能量收集源提供的從0.0V到+/-500VAC或DC不等的瞬時(shí)輸入電壓，以及從200nA到400mA不等的輸入電流，能量收集源產(chǎn)生電能的方式有時(shí)穩(wěn)定，有時(shí)斷續(xù)、不規(guī)律且源阻抗變化不定。

　　每一個(gè)模塊均設(shè)定為在兩個(gè)供電電壓閾值間工作，即+V_lowDC和+V_highDC，分別對(duì)應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)的最?。╒L）和最大（VH）供電電壓。

　　當(dāng)能量源開始向模塊輸入端送入能量作為電荷脈沖時(shí)，這些電荷包被收集、積累并存儲(chǔ)至內(nèi)部?jī)?chǔ)能電容器組。對(duì)于最常見的能量收集應(yīng)用而言，電能電荷包以不可控和不可預(yù)測(cè)的輸入電壓尖峰的形式出現(xiàn)。這些電荷包通常涵蓋各種電壓、電流和時(shí)序波形，因此很難處理。例如，EH300模塊可以10μA的平均輸入電流在4分鐘內(nèi)完成循環(huán)，也可僅以1.0μA的平均輸入電流在40分鐘內(nèi)完成循環(huán)。

　　總結(jié)

　　能量收集是一種為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供電源的有效方法，并且不受電源電纜限制。將傳感器放置于所需的位置，通過設(shè)備振動(dòng)或上方燈光供電——這一創(chuàng)新性方法獲取的有用數(shù)據(jù)可確保工廠系統(tǒng)可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。加裝充電電池大大延長(zhǎng)了維修和更換周期，同時(shí)提供了一種靈活而高效的方法——通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行可靠監(jiān)控。