所有這些能量收集的東西究竟意味著(zhù)什么?

引言

便攜式電源應用領(lǐng)域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN)  到采用數百瓦時(shí)電池組的推車(chē)式醫療或數據采集系統，產(chǎn)品種類(lèi)非常豐富。不過(guò)，盡管產(chǎn)品種類(lèi)繁多，這一領(lǐng)域呈現的發(fā)展趨勢卻比較集中，即：設計師所設計的產(chǎn)品不斷需要更大的功率，以支持日益增多的功能;設計師要求用任何可用電源都能給電池充電。第一種趨勢意味著(zhù)增大電池容量。不幸的是，用戶(hù)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)間內充完電，這又導致充電電流增大。第二種趨勢需要電池充電解決方案具有極大的靈活性，因為這類(lèi)解決方案需要應對多種輸入電源和功率。

幸運的是，在功率范圍的低端，是能量收集系統的毫微功率轉換需求，例如在 WSN 中常見(jiàn)和必須使用電源轉換 IC  的能量收集系統，這類(lèi)系統處理非常小的功率和電流，可能分別是數十微瓦的功率和幾納安的電流。

最新的和現成有售的能量收集產(chǎn)品，例如在振動(dòng)能量收集和室內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)生毫瓦量級的功率。盡管這種量級的功率看似有限，但是收集組件在很多年之中的運行意味著(zhù)，就能量供應和每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長(cháng)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)的系統一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統則做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數情況下，會(huì )采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補充環(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?chē)胸S富的環(huán)境能源，傳統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。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) 轉換成電，壓電組件轉換機械振動(dòng)，光伏組件轉換太陽(yáng)光  (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉換潮氣為能量。這使得有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲器件供電，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，在非傳統能源市場(chǎng)使用的 IC 必須具備的性能特點(diǎn)如下：

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

? 很低的啟動(dòng)電壓：低至 20mV

? 很強的輸入電壓能力：高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

? 能夠處理 AC 輸入

? 多輸出能力和自主的系統電源管理

? 自動(dòng)極性工作

? 面向太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

? 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

? 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，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉換成電信號，其后通常跟隨的是 DC/DC  轉換器和管理器，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 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 運行?  理論上，這個(gè)問(wèn)題似乎相當簡(jiǎn)單;然而，現實(shí)情況是，由于一些因素使這問(wèn)題有點(diǎn)難以回答。例如，獲取讀數的頻度有多高? 或者，更重要的是，數據包會(huì )有多大?  數據需要傳送多遠? 這是因為，就獲取一次傳感器讀數而言，收發(fā)器大約消耗系統所用能量的 50%。有幾種因素會(huì )影響 WSN 能量收集系統的功耗特性。參見(jiàn)表  1。

表 1：影響 WSN 功耗特性的因素

當然，能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長(cháng)時(shí)間。因此，比較能量收集能源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。收集能量時(shí)一般會(huì )遇到很小、可變和不可預測的可用功率，因此常常采用混合結構，即連接收集器和輔助電力儲存庫的結構。收集器由于能量供應無(wú)限  (但功率不足) 而成為系統的能源。輔助電力儲存庫 (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，必須用輔助電力儲存庫給  WSN  供電。當然，從系統設計師的角度看，這進(jìn)一步增大了復雜程度，因為他們必須考慮，輔助電力儲存庫必須存儲多少能量才能補償環(huán)境能源的不足。而僅是需要儲存多少能量這個(gè)問(wèn)題，就取決于幾種因素，包括：

I. 在多長(cháng)時(shí)間內沒(méi)有環(huán)境能源可用

II. WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數據的頻度)

III. 輔助存儲庫 (電容器、超級電容器或電池) 的大小和類(lèi)型

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

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

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

1) 飛機腐蝕傳感器

2) 汽車(chē)調光窗

3) 橋梁監視器

4) 樓宇自動(dòng)化

5) 電量計

6) 氣體傳感器

7) 健康監視器

8) HVAC 控制

9) 電燈開(kāi)關(guān)

10) 遠程管道監視器

11) 水表

非傳統能源帶來(lái)了很多機會(huì )，一個(gè)很好的例子是太陽(yáng)能供電電子設備市場(chǎng)。隨著(zhù)企業(yè)尋找各種降低能耗的方法，這個(gè)市場(chǎng)持續增長(cháng)。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)能供電設備都配備可再充電電池。因此，一個(gè)重要的目標是，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(zhù)，系統中所用組件必須能夠應對這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉換方面，仍然存在空白。不過(guò)，專(zhuān)門(mén)為了滿(mǎn)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(cháng)器

LTC3330 是一款完整的可調節能量收集解決方案，在可收集能量可用時(shí)，提供高達 125mA  的連續輸出電流，以延長(cháng)電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定功率時(shí)，該器件無(wú)需電池提供電源電流，而在無(wú)負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，當用主電池供電時(shí)，還有一個(gè)同步降壓-升壓型 DC/DC  轉換器，這樣就可為能量收集應用提供一個(gè)不間斷的輸出，例如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中那些能量收集應用。