基于能量收集器的無線電源解決方案

引言

　　超低功率微控制器的近期發(fā)展造就了具有空前集成度的器件（對(duì)于其運(yùn)作所需的功率而言）。這些器件是片上系統(tǒng)，采用了新銳節(jié)能方案（例如關(guān)斷電路進(jìn)入空閑狀態(tài)）。事實(shí)上，運(yùn)行這些器件所需的功率非常之低，以至于許多傳感器逐步實(shí)現(xiàn)了無線化，因?yàn)樗鼈兛梢苑奖愕赝ㄟ^電池來供電。不幸的是，電池必須定期更換，這種維護(hù)工作既費(fèi)錢又費(fèi)事。而從傳感器的局部環(huán)境中采集環(huán)境機(jī)械能、熱能或電磁能則有可能是一種更為有效的無線電源解決方案。

　　圖1所示的LTC3588－1是一款完整的能量收集解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化。它內(nèi)置了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，用于將能量從一個(gè)輸入存儲(chǔ)器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個(gè)可支持高達(dá)100mA負(fù)載的穩(wěn)定電壓。LTC3588－l采用10引腳MSE封裝和3mmx 3mm DFN封裝。

圖1：專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化的完整能量收集解決方案

　　環(huán)境能量源

　　環(huán)境能量源包括光、溫差、振動(dòng)梁、射頻（RF）發(fā)射信號(hào)或任何其他能夠通過某種換能器產(chǎn)生電荷的信號(hào)源。例如：

　　·人們采用小型太陽能電池板為手持式電子設(shè)備供電已有多年，此類電池板在陽光直射和間接光照射的情況下能夠分別產(chǎn)生幾百mW／cm²和幾百；uW／cm²的功率密度。

　　·當(dāng)存在溫度梯度時(shí)9塞貝克（Seebeck）器件可將熱能轉(zhuǎn)換為電能°熱能量源多種多樣，從體熱（可產(chǎn)生幾十pW／cm²的功率密度）到鍋爐排氣煙囪（其表面溫度能產(chǎn)生幾十mW／cm²的功率密度）各不相同。

　　·壓電器件可通過器件的壓縮或彎曲而產(chǎn)生能量。壓電元件能夠產(chǎn)生幾百pW／cm²的功率密度（取決于其尺寸和結(jié)構(gòu)）。

　　·RF能量收集由天線來完成9可產(chǎn)生幾百pW／cm²的功率密度。

　　要成功地設(shè)計(jì)完整的獨(dú)立型無線傳感器系統(tǒng)，就需采用節(jié)能型微控制器和傳感器，它們消耗極少電能，可從低能量環(huán)境獲取能量。目前，這兩類器件在市面上都很容易獲得，而所缺失的一環(huán)則是能夠?qū)鞲衅鬏敵鲛D(zhuǎn)換為一個(gè)可用電壓的高效功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

　　圖2示出了一款能量收集電源系統(tǒng)，它包括能量源／傳感器、一個(gè)能量?jī)?chǔ)存元件和一種用于將該儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用穩(wěn)定電壓的設(shè)各。另外，在換能器和能量?jī)?chǔ)存元件之間或許還需要布設(shè)一個(gè)電壓整流器網(wǎng)絡(luò)。用于防止能量回饋至傳感器中，或在采用壓電器仵的情況下負(fù)責(zé)對(duì)AC信號(hào)進(jìn)行整流。

圖2：能量收集系統(tǒng)紐件

　　應(yīng)用實(shí)例

　　對(duì)于在DO和D1輸入引腳上設(shè)定的特殊輸出電壓，LTC3588-1要求傳感器的輸出電壓高于欠壓閉鎖上升門限限值°為了實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)淖畲蠡瑩Q能器必須具有一個(gè)兩倍于輸入工作電壓的開路電壓、以及一個(gè)兩倍于所需輸入電流的短路電流。這些要求必須在信號(hào)源的最小激勵(lì)電平條件下滿足，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率。

　　壓電傳感器應(yīng)用

　　圖3示出了一個(gè)壓電系統(tǒng)。當(dāng)被置于氣流之中時(shí)，該系統(tǒng)可在3.3V電壓條仵下產(chǎn)生100uW的功率。在50Hz頻率下，壓電元件的彎曲量為0.5cm。

圖3：壓電式能量收集器

　　Seebeck傳感器應(yīng)用

　　圖4示出了一個(gè)能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了由Tellurex公司提供的Seebeck傳感器。溫差產(chǎn)生了一個(gè)可支持300mW輸出負(fù)載的輸出電壓。把傳感器連接至PZI輸入可防止反向電流在熱源被拿掉時(shí)回流至Seebeck器件中。100電阻器負(fù)責(zé)提供電流限制，以倮護(hù)LTC3588－1輸入橋接器。

圖4：Seebeck能量收集器

　　由標(biāo)準(zhǔn)熒光燈產(chǎn)生的EM場(chǎng)收集能量

　　此項(xiàng)應(yīng)用需要一些有別于傳統(tǒng)的創(chuàng)造性思維。圖5示出了一個(gè)從高電壓熒光燈管周圍的電場(chǎng)收集能量的系統(tǒng)°兩塊12”x 24”銅板被放置在距離一個(gè)2’x 4’熒光燈裝置“6”的地方°銅板以容性的方式從周圍的電場(chǎng)采集了200uW功率，而LTC3588-1則負(fù)責(zé)將該功率轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)壓輸出。

圖5：電場(chǎng)能量收集器

　　結(jié)論

　　LTC3588－1通過從周圍環(huán)境收集環(huán)境能量而使遠(yuǎn)程傳感器能夠不依靠電池來運(yùn)作。該器件包含了所有關(guān)鍵的電源管理功能：一個(gè)低損耗橋式整流器、一個(gè)高效率降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè)負(fù)責(zé)接通和關(guān)斷降壓型轉(zhuǎn)換器的低偏置UVL0檢測(cè)器、以及一個(gè)用于在電源可用時(shí)喚醒微控制器的PGOOD狀態(tài)信號(hào)°LTC3588－1僅利用5個(gè)外部組件即可支持高達(dá)l00mA的負(fù)載。