助推能量采集

眾多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在尋求以非傳統能源作為主要或補充性供電源。利用現成的物理電源(例如，熱電發(fā)生器或熱電堆、壓電或機電裝置和光伏器件)來(lái)產(chǎn)生電力的換能器正在成為許多應用的適配電源。通過(guò)僅使用收集到的能量，眾多無(wú)線(xiàn)傳感器、遠程監視器和其他低功率應用正在穩步成為接近“零”功率的設備(常被有些人稱(chēng)為“微功率”)。

盡管自2000年初，能量采集就出現了，但是最近的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)推動(dòng)其達到了可商業(yè)應用的程度。簡(jiǎn)言之，2010年，我們?yōu)?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/能量">能量采集的“增長(cháng)”階段做好了準備。利用能量采集技術(shù)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化傳感器應用已在歐洲出現，這表明增長(cháng)階段也許已經(jīng)開(kāi)始。

得到商業(yè)上的接受
盡管能量采集的概念已經(jīng)出現很多年，但是在真實(shí)環(huán)境中的系統部署一直很緩慢，原因是復雜度高和成本昂貴。盡管如此，仍然有一些市場(chǎng)采用了能量采集系統，包括了交通運輸基礎設施、無(wú)線(xiàn)醫療設備、輪胎壓力檢測以及樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)化而言，有了人體感應傳感器、恒溫器和光開(kāi)關(guān)等，系統就用不著(zhù)通常需要的電源或控制線(xiàn)路，而是使用能量采集系統了。

類(lèi)似地，采用能量采集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以在樓宇中將任意數量的傳感器連接到一起。當樓宇中沒(méi)有人時(shí)，通過(guò)關(guān)閉非必要區域的電源，可降低供熱、通風(fēng)和空調(HVAC)以及照明的費用。此外，能量采集電子線(xiàn)路的費用常常低于使用檢測線(xiàn)路的費用，因此采用能量采集技術(shù)顯然會(huì )有經(jīng)濟收益。

一個(gè)典型的能量采集配置或系統(如圖1所示)通常由連接到發(fā)熱源(如HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆等免費能量源組成。這些小型熱電設備可以將微小的溫差轉換成電能，然后利用能量采集電路，將這種電能轉換并調整為下游電路可用的電源形式。這些下游的電子線(xiàn)路通常會(huì )由某些種類(lèi)的傳感器、模數轉換器和超低功率微控制器組成?，F在，這些元件能以電流形式接受收集到的能量，并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得讀數或測量結果，然后再通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行數據傳輸。

圖1 典型能量采集系統的4個(gè)主要方框

在這電路中，除了能量源本身，每個(gè)電路系統模塊都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應用。低成本、低功率的傳感器和微控制器已經(jīng)上市相當一段時(shí)間了，不過(guò)只是在最近兩三年，超低功率收發(fā)器才商用化。盡管如此，在這電路中，落后的一直是能量采集器和電源管理器。

電源管理器的現有實(shí)施方案是一種低性能分立配置，通常由35個(gè)或更多元件組成。這類(lèi)設計具有低的轉換效率和大的靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺點(diǎn)導致最終系統性能受到損害。低轉換效率將延長(cháng)給系統加電所需時(shí)間，反過(guò)來(lái)又延長(cháng)了獲得傳感器讀數和發(fā)送該數據之間的時(shí)間間隔。

新的升壓型轉換器和系統管理器
迄今為止，高集成度DC/DC升壓型轉換器一直比較缺少，這類(lèi)轉換器可以收集和管理由極低的輸入電壓源提供的多余能量。不過(guò)，LTC3108極大地簡(jiǎn)化了收集和管理由極低輸入電壓源提供的多余能量的任務(wù)。其升壓型拓撲在輸入電壓低至20mV時(shí)仍能正常運行。這具有重大意義，因為它允許LTC3108從低至1℃的溫度變化中收集TEG提供的能量。

圖2所示電路運用一個(gè)小型升壓型變壓器來(lái)提高LTC3108輸入電壓源輸入的電壓，而LTC3108為無(wú)線(xiàn)檢測和數據采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。