小型光伏電池在能量收集應用中找到用武之地

超低功率解決方案可用于眾多的無(wú)線(xiàn)系統，包括交通運輸基礎設施、醫療設備、輪胎壓力檢測、工業(yè)檢測、樓宇自動(dòng)化和貴重物品追蹤。此類(lèi)系統通常在其服役生涯的大部分時(shí)間里都處于待機睡眠模式，僅需極低的μW級功率。當被喚醒時(shí)，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機械偏轉等參數并以無(wú)線(xiàn)的方式把這些數據傳送至一個(gè)遠程控制系統。整個(gè)測量、處理和傳送時(shí)間通常只有幾十 ms，但在此短暫期間內有可能需要幾百 mW 的功率。由于這些應用的占空比很低，因此必須收集的平均功率也會(huì )相對較低。電源可能就是一節電池而已。然而，電池將不得不以某種方式進(jìn)行再充電，最終還得更換。在許多此類(lèi)應用中，實(shí)際更換電池的成本之高使其缺乏可行性。這使得環(huán)境能量源成為了一種更具吸引力的替代方案。

就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調節器和光控開(kāi)關(guān)等系統能夠免除通常所需的電源或控制線(xiàn)路，而代之以一個(gè)機械或能量收集系統。除了可以免除首先進(jìn)行線(xiàn)路安裝 (或在無(wú)線(xiàn)應用中定期更換電池) 的需要之外，這種替代方法還能減低有線(xiàn)系統往往存在的例行維護成本。

類(lèi)似地，運用能量收集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能夠將一幢建筑物內任何數目的傳感器鏈接到一起，以通過(guò)在建筑物內無(wú)人居住時(shí)關(guān)斷非緊要區域的供電來(lái)降低采暖、通風(fēng)和空調 (HVAC) 以及照明成本。

典型的能量收集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由 4 個(gè)模塊組成 (見(jiàn)圖 1)。它們是：1) 一個(gè)環(huán)境能量源，比如：太陽(yáng)能電池；2) 一個(gè)用于給節點(diǎn)的其余部分供電的功率轉換組件；3) 一個(gè)將節點(diǎn)鏈接到現實(shí)世界的感測組件以及一個(gè)計算組件 (由微處理器或微控制器組成，負責處理測量數據并將這些數據存貯到存儲器中)；和 4) 一個(gè)由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，用于實(shí)現與相鄰節點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

環(huán)境能量源的實(shí)例包括連接到某個(gè)發(fā)熱源 (例如：HVAC 管道) 的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆，抑或是連接至某個(gè)機械振動(dòng)源 (如：窗玻璃) 及太陽(yáng)能電池的壓電換能器。在存在發(fā)熱源的情況下，緊湊的熱電器件 (常被稱(chēng)為“換能器”) 能夠將很小的溫差轉換為電能。而當存在機械振動(dòng)或應變時(shí)，則壓電器件能夠用來(lái)把很小的振動(dòng)或應變差轉換為電能。最后，在存在光源的場(chǎng)合中，光伏電池在峰值日照條件下每平方厘米的面積能產(chǎn)生 50W 以上的電功率，而在室內照明條件下則可產(chǎn)生高達 100μW 的電功率。

該鏈路中的每個(gè)電路模塊迄今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。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有一段時(shí)間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實(shí)現與微控制器的集成 (以提供非常低功率的無(wú)線(xiàn)連接)。不過(guò)，該鏈路中所欠缺的一直是能量收集 IC。

現有的能量收集器/管理器模塊實(shí)現方案往往采用性能相對較低的分立型結構，通常包括 30 個(gè)或更多的組件。此類(lèi)設計具有低轉換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺陷均導致需要使用較大和更加昂貴的電池及太陽(yáng)能電池，因而損害了最終系統的性能。如果不采用這些較大的儲能元件，低轉換效率將增加系統上電所需的時(shí)間，這反過(guò)來(lái)又將延長(cháng)從獲取一個(gè)傳感器讀數至傳輸該數據的時(shí)間間隔。功率轉換電路中的高靜態(tài)電流會(huì )嚴重限制所能收集并輸送至應用負載的“可用”能量。而且，同時(shí)實(shí)現低靜態(tài)電流運作和高功率轉換效率還必需擁有高深的模擬開(kāi)關(guān)模式電源專(zhuān)門(mén)知識 —— 這很少能夠輕易獲得。

“缺失的一環(huán)”一直是能夠采集和管理來(lái)自極低功率電源之剩余能量的高集成度 DC/DC 轉換器。

能量收集———個(gè)案研究

我們以一個(gè)基于能量收集的工業(yè)監測系統為例進(jìn)行研究，比如：埋置于偏僻荒野之中的地下輸油管，它需要連續監測其流速、溫度和壓力 (沿管道每 50 米為一段)。每個(gè)節點(diǎn)均具有內置于管道壁中的溫度、壓力和流量傳感器。必須每 5 秒鐘進(jìn)行一次測量并報告測量結果。由于輸油管線(xiàn)長(cháng)達數百英里，因此鋪設供電和信息線(xiàn)路將非常昂貴，且必須提供不間斷的維護，有可能需要進(jìn)行代價(jià)高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項很花錢(qián)的工作，這是因為電池的數目十分龐大，而且偏僻地域的道路往往崎嶇難行。我們所需要的是一種能夠持續產(chǎn)生足夠功率的電源 —— 它隨時(shí)可用并可自我保持。最常見(jiàn)和易于使用的能量源之一可能是一個(gè)與諸如電池或超級電容器等儲能元件協(xié)同運作的小型太陽(yáng)能電池，用于在夜間及惡劣天氣條件下提供持續供電。

凌力爾特公司近期推出了 LTC3105，這是一款超低電壓升壓型轉換器，專(zhuān)為大幅度地簡(jiǎn)化收集和管理那些來(lái)自低電壓和高阻抗替代電源 (例如：光伏電池、TEG [熱電發(fā)生器] 和燃料電池) 之能量的任務(wù)而設計。該器件的同步升壓型設計可在低至 250mV 的輸入電壓條件下啟動(dòng)，因而使其非常適合甚至是處于不太理想照明條件下的極小光伏電池收集能量。其 0.2V 至 5V 的寬輸入電壓范圍使得它成為眾多應用的合適之選。一個(gè)集成的最大功率點(diǎn)控制器 (MPPC) 使得能夠直接從高阻抗電源 (比如光伏電池) 來(lái)運作，從而防止輸入電源電壓驟降至可由用戶(hù)來(lái)設置的 MPPC 以下。峰值電流限值自動(dòng)進(jìn)行調節，以最大限度地增加從替代能源所吸取的功率，而突發(fā)模式 (Burst Mode