所有這些能量收集的東西究竟意味著什么?

引言

便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 到采用數(shù)百瓦時(shí)電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，產(chǎn)品種類非常豐富。不過(guò)，盡管產(chǎn)品種類繁多，這一領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)卻比較集中，即：設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不斷需要更大的功率，以支持日益增多的功能;設(shè)計(jì)師要求用任何可用電源都能給電池充電。第一種趨勢(shì)意味著增大電池容量。不幸的是，用戶常常沒(méi)有那么大的耐心，所以增大的容量必須能夠在合理的時(shí)間內(nèi)充完電，這又導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢(shì)需要電池充電解決方案具有極大的靈活性，因?yàn)檫@類解決方案需要應(yīng)對(duì)多種輸入電源和功率。

幸運(yùn)的是，在功率范圍的低端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如在 WSN 中常見和必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC 的能量收集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)處理非常小的功率和電流，可能分別是數(shù)十微瓦的功率和幾納安的電流。

最新的和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品，例如在振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏電池中使用的能量收集產(chǎn)品，在典型工作條件下，能產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這種量級(jí)的功率看似有限，但是收集組件在很多年之中的運(yùn)行意味著，就能量供應(yīng)和每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命的主電池可以做到大致相似。此外，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數(shù)情況下，會(huì)采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補(bǔ)充環(huán)境能源，如果環(huán)境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

能量收集 WSN

我們周圍有豐富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過(guò)，新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到”可用來(lái)給電路供電的能量之多少。例如，熱電發(fā)生器將熱 (或冷) 轉(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲(chǔ)器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電，而無(wú)需本地電源。

一般而言，在非傳統(tǒng)能源市場(chǎng)使用的 IC 必須具備的性能特點(diǎn)如下：

Ø 很小的備用靜態(tài)電流：一般情況下低于 6µA，最低可低至 450nA

Ø 很低的啟動(dòng)電壓：低至 20mV

Ø 很強(qiáng)的輸入電壓能力：高達(dá) 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

Ø 能夠處理 AC 輸入

Ø 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理

Ø 自動(dòng)極性工作

Ø 面向太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

Ø 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

Ø 外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案

WSN 基本上是自含式系統(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

在嘗試實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是：需要多少功率才能使該 WSN 運(yùn)行? 理論上，這個(gè)問(wèn)題似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單;然而，現(xiàn)實(shí)情況是，由于一些因素使這問(wèn)題有點(diǎn)難以回答。例如，獲取讀數(shù)的頻度有多高? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會(huì)有多大? 數(shù)據(jù)需要傳送多遠(yuǎn)? 這是因?yàn)?，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會(huì)影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見表 1。

表 1：影響 WSN 功耗特性的因素

當(dāng)然，能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長(zhǎng)時(shí)間。因此，比較能量收集能源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。收集能量時(shí)一般會(huì)遇到很小、可變和不可預(yù)測(cè)的可用功率，因此常常采用混合結(jié)構(gòu)，即連接收集器和輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)的結(jié)構(gòu)。收集器由于能量供應(yīng)無(wú)限 (但功率不足) 而成為系統(tǒng)的能源。輔助電力儲(chǔ)存庫(kù) (或者是電池或者是電容器) 能產(chǎn)生更高的輸出功率，但是存儲(chǔ)的能量較少，從而在需要時(shí)供電，否則定期接收來(lái)自收集器的電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能源可供收集能量的情況下，必須用輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度看，這進(jìn)一步增大了復(fù)雜程度，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]，輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)必須存儲(chǔ)多少能量才能補(bǔ)償環(huán)境能源的不足。而僅是需要儲(chǔ)存多少能量這個(gè)問(wèn)題，就取決于幾種因素，包括：

I. 在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)沒(méi)有環(huán)境能源可用

II. WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數(shù)據(jù)的頻度)

III. 輔助存儲(chǔ)庫(kù) (電容器、超級(jí)電容器或電池) 的大小和類型

IV. 是否有足夠的環(huán)境能源可用，既能充當(dāng)主能源，又有充足的能量余留下來(lái)，以當(dāng)主電源在一段時(shí)間內(nèi)不可用時(shí)，給輔助存儲(chǔ)庫(kù)充電

環(huán)境能源包括光、熱量差、振動(dòng)波束、所發(fā)送的 RF 信號(hào)或者其他任何能夠通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表 2 說(shuō)明了不同能源能夠產(chǎn)生之能量的多少。

表 2：各種能源以及這些能源能夠產(chǎn)生之能量的多少

在很多應(yīng)用中，這樣的功率值對(duì)系統(tǒng)部署都是有意義的。以下列舉幾個(gè)例子：

1) 飛機(jī)腐蝕傳感器

2) 汽車調(diào)光窗

3) 橋梁監(jiān)視器

4) 樓宇自動(dòng)化

5) 電量計(jì)

6) 氣體傳感器

7) 健康監(jiān)視器

8) HVAC 控制

9) 電燈開關(guān)

10) 遠(yuǎn)程管道監(jiān)視器

11) 水表

非傳統(tǒng)能源帶來(lái)了很多機(jī)會(huì)，一個(gè)很好的例子是太陽(yáng)能供電電子設(shè)備市場(chǎng)。隨著企業(yè)尋找各種降低能耗的方法，這個(gè)市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)。例如，考慮一下智能電表。智能電表部署在智能電網(wǎng)上，而且由環(huán)境能源給智能電表供電很有利，可以降低運(yùn)營(yíng)能源成本。一種可行和充足的能源是太陽(yáng)能。然而，由于太陽(yáng)能的功率可變而且不可靠，幾乎所有太陽(yáng)能供電設(shè)備都配備可再充電電池。因此，一個(gè)重要的目標(biāo)是，抽取盡可能多的太陽(yáng)能，以給這些電池快速充電，并保持其充電狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)能可用時(shí)，就可將這些電池作為能源使用。

毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 只有非常少的能量可用。這又意味著，系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對(duì)這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉(zhuǎn)換方面，仍然存在空白。不過(guò)，專門為了滿足這種需求，凌力爾特推出了 LTC3330，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3330 能量收集器和電池壽命延長(zhǎng)器

LTC3330 是一款完整的可調(diào)節(jié)能量收集解決方案，在可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá) 125mA 的連續(xù)輸出電流，以延長(zhǎng)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)，該器件無(wú)需電池提供電源電流，而在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅吸取 750nA 電流。LTC3330 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，當(dāng)用主電池供電時(shí)，還有一個(gè)同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，這樣就可為能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷的輸出，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那些能量收集應(yīng)用。[!--empirenews.page--]

LTC3330 的能量收集電源由全波橋式整流器組成，包含 AC 或 DC 輸入以及一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，從壓電 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。主電池輸入為一個(gè)同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，當(dāng)沒(méi)有收集能量可用時(shí)，無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出，該轉(zhuǎn)換器都可用來(lái)調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)收集能源不再可用時(shí)，LTC3330 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這就帶來(lái)了一個(gè)附加的好處，即如果合適的能量收集電源至少在一半的時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長(zhǎng)至超過(guò) 20 年，而能量收集電源若更加普遍存在，可用時(shí)間甚至更長(zhǎng)。這是非常有意義的，因?yàn)橐粔K Tadiran“C”電池的價(jià)格約為 16 美元。因此人工更換電池的成本非常高。或者，用戶可以使用一塊較小的 (壽命更短的) 電池，這樣可以降低系統(tǒng)總體成本。

結(jié)論

盡管為了正常工作，便攜式應(yīng)用和能量收集系統(tǒng)有從數(shù)微瓦到高于 1W 的多種功率級(jí)，但是有很多電源轉(zhuǎn)換 IC 可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇。不過(guò)，在功率范圍的較低端，需要轉(zhuǎn)換數(shù)納安的電流，這里的選擇就變得有限了。

幸運(yùn)的是，LTC3330 能量收集器和電池壽命延長(zhǎng)器具備極低的靜態(tài)電流，適用于低功率應(yīng)用。在便攜式電子設(shè)備中，低于 1 微安的靜態(tài)電流可延長(zhǎng)保持有效電路的電池壽命，實(shí)現(xiàn)了如 WSN 等新一代能量收集應(yīng)用。