讓W(xué)SN節點(diǎn)不斷電　能源采集系統加速取代電池

能源采集系統已逐漸嶄露頭角。在高效率電源轉換積體電路（IC）加持下，能源采集系統的電能轉換效率已較過(guò)去顯著(zhù)提升，因而吸引愈來(lái)愈多無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路（WSN）節點(diǎn)裝置設計人員，以能量采集技術(shù)取代傳統電池供電方式，從而降低長(cháng)期維護成本。

凌力爾特電源管理產(chǎn)品部副總裁暨總經(jīng)理Don Paulus人類(lèi)周遭存在許多環(huán)境能源，過(guò)去能源采集的傳統方法，往往是藉助太陽(yáng)能板和風(fēng)力發(fā)電機，不過(guò)，新的能源采集工具讓使用者能運用各式環(huán)境能源產(chǎn)生電能，而且，重要之處不在于電路的能量轉換效率，而是在于可為其供電的「平均采集」能量值，例如熱電產(chǎn)生器可轉換熱量、壓電元件可轉換機械振動(dòng)、光伏元件用于轉換陽(yáng)光，并且上述工具將進(jìn)一步將這些環(huán)境能源轉換成為可用的電能。這些能源采集元件能夠為遠端感測器供電或對電能記憶體（例如電容器或薄膜電池）進(jìn)行充電，并對微處理器（MPU）或發(fā)送器實(shí)施遠端供電，而毋須使用本地電源。

或許有人會(huì )認為，在整個(gè)能量采集過(guò)程中直流對直流（DC-DC）轉換器電路的轉換效率是最為關(guān)鍵的因素，然而事實(shí)并非如此。整個(gè)無(wú)線(xiàn)感測網(wǎng)路（WSN）的轉換效率才是最重要的。推理過(guò)程十分簡(jiǎn)單，透過(guò)估算WSN可向系統提供多少環(huán)境能量，即可確定任意讀取和傳送操作的工作周期比，因此，對于任何應用產(chǎn)品，WSN轉換效率系決定整體方案之實(shí)用性的重要關(guān)鍵。

現行能量采集技術(shù)如振動(dòng)能量采集和室內光伏單元在典型工作條件下將產(chǎn)生毫瓦（mW）量級的功率。如此低的功率似乎用起來(lái)很受限，但無(wú)論就能量供應還是就所提供的每能量的單位成本而言，這些技術(shù)大體上已可與長(cháng)壽命的主電池匹敵。此外，能源采集系統能在電能耗盡后再充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統是做不到的。

環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送的射頻（RF）訊號，或者任何其他能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。表1列出從不同能量源可產(chǎn)生的能量。

當試圖實(shí)現單個(gè)或多個(gè)WSN能源采集系統時(shí)，所須要考慮的是整體系統運作需要多少功率。從原理上而言，這似乎相當直覺(jué)明瞭，然而，在現實(shí)中由于諸多因素的影響而使其難度略有增加，測試者須得知獲取讀數的頻率是多少？資料封包將會(huì )多大？系統須要將讀數傳送到多遠的地方？對于單顆感測器讀數，收發(fā)器約消耗50%的系統所用能量，表2概要羅列影響WSN能源采集系統功耗特性的因素。

能源采集器/輔助電能儲存器互助確保WSN供電無(wú)虞

由能源采集系統所提供的電源量取決于系統處于操作狀態(tài)的時(shí)間，因此衡量能源采集系統的主要標準為功率密度，而非能量密度。能源采集系統一般會(huì )遇到變動(dòng)和不可預測的可用功率，因而須采用能源采集器和輔助電能儲存器相連的混合結構。由于采集器可有無(wú)限的能量供應而成為系統能源，而輔助電能儲存器（一個(gè)電池或一個(gè)電容器）可產(chǎn)生較高的功率，但儲存的能量較少，后者僅在必要的時(shí)候供電，其他情況下則定期從采集器接收電能，所以WSN在沒(méi)有可供采集功率的環(huán)境能源時(shí)，必須以輔助電能儲存器供電。

從系統設計人員的角度而言，這將進(jìn)一步增加設計復雜程度，因為他們必須考慮一個(gè)問(wèn)題——為對缺乏環(huán)境能量源的WSN提供補償電力，應在輔助儲存器中存儲多少能量？其取決的因素包括能量采集器缺乏環(huán)境能量源的時(shí)間長(cháng)度、WSN工作周期比（即資料讀取和傳輸操作必須具備的頻率）、輔助儲存器（電容器、超級電容器或電池）的大小和類(lèi)型、環(huán)境能量是否可提供既能充當主能量源，同時(shí)又擁有充分剩余能量為輔助電能儲存器充電？以下將就能源采集應用的DC-DC轉換IC特性概述，一般而言，為能量采集應用所接納和采用所需的必要IC性能特征包括：

• 低待機靜態(tài)電流

運作電流通常小于6微安培（μA），并可低至450奈安培（nA）

• 低啟動(dòng)電壓

低至20毫伏特（mV）

• 高輸入電壓能力

高達34伏特（連續）和40伏特（暫態(tài)）

• 能夠處理交流電（AC）輸入

• 多輸出能力和自主型系統電源管理

• 自動(dòng)極性操作

• 針對太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制（MPPC）

• 能夠從低至1°C的溫差采集能量

• 接腳占位精小且外部元件極少

搶搭能源成本順風(fēng)車(chē)能源采集系統逐漸嶄露頭角

在可替代能源所帶來(lái)的諸多發(fā)展契機中，太陽(yáng)能供電型電子裝置市場(chǎng)為絕佳例子，在各家公司致力尋求降低功耗之方法的情況下，太陽(yáng)能供電型電子設備的市場(chǎng)呈持續成長(cháng)的態(tài)勢。以智慧電表為例，為降低運行能源成本，部署在智慧電網(wǎng)上的智慧電表將很有可能由某種環(huán)境能量源來(lái)供電，而太陽(yáng)能即為豐富的能量來(lái)源。然而，鑒于太陽(yáng)能電源變化無(wú)常且不可靠，所以幾乎所有的太陽(yáng)能供電型設備都配有可再充電電池，因此，汲取盡可能多的太陽(yáng)能以對這些電池進(jìn)行快速充電并保持其電荷狀態(tài)為系統設計的重要目標。

反之，倘若智慧電表采用電池做為其主電源，則電源轉換和管理電子元件在待機模式中將必須具非常低的靜態(tài)電流，以延長(cháng)電池使用壽命，而目前業(yè)界已能提供一系列靜態(tài)電流水準低于25微安培的晶片。

所有因應綠色能源或能量采集的產(chǎn)品都將在今年之后逐漸嶄露頭角。由于市場(chǎng)對能源成本和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注以及延長(cháng)行動(dòng)裝置電池使用壽命的需求升溫，業(yè)界對于包括智慧電網(wǎng)在內的眾多應用的功率優(yōu)化產(chǎn)品均投入巨大的精力開(kāi)展相關(guān)的研發(fā)。此外，目前已有高能效產(chǎn)品可使客戶(hù)以更高的效率進(jìn)行功率轉換，并降低功耗和延長(cháng)電池壽命。以上資源皆使設計人員能夠開(kāi)發(fā)和實(shí)現毋需供電導線(xiàn)或電池的WSN，并真正地充分利用周?chē)S富的免費環(huán)境能源。