作為一個(gè)“成熟”的傳感器，你應該學(xué)會(huì )自己充電了

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的傳感器需要被部署到各種環(huán)境中，包括人跡罕至的荒原、氣候惡劣的高山、海洋中，而電池供電方案越來(lái)越不能滿(mǎn)足需要。對此，工程師們希望能夠設計出更加“成熟”的傳感器，在保證穩定運行的情況下，不需要頻繁維護和更換電池。于是，可以自供電的能量采集技術(shù)成為了實(shí)現這款“成熟”傳感器的關(guān)鍵。

能源收集技術(shù)是通過(guò)收集環(huán)境中的微能量進(jìn)行發(fā)電，擁有極高的便利性，使得傳感器將不再需要麻煩的、昂貴的步驟，如更換、連接主要電池以及電池相關(guān)的維護。從某種意義上說(shuō)，與“低功率”不同，該技術(shù)可以說(shuō)是實(shí)現的“零功率”。

同時(shí)，這也使得市場(chǎng)對能源收集技術(shù)的預期很高，根據《無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2022）》指出，預計2025年前后，無(wú)源物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)規模將在310-510億元間，預測值中位數為410億元。且在2025年，光能采集、振動(dòng)能量采集以及溫差能量采集三種技術(shù)路線(xiàn)的市場(chǎng)規模均為千萬(wàn)元級。

能源收集技術(shù)的出現使得傳感器將不再需要麻煩的、昂貴的步驟，如更換、連接主要電池以及電池相關(guān)的維護。從某種意義上說(shuō)，與“低功率”不同，該技術(shù)可以說(shuō)是實(shí)現的“零功率”。

然而，如何將收集到的能量真正派上用場(chǎng)其實(shí)有極高的門(mén)檻，尤其是外圍電子電路的設計上，例如提高發(fā)電使用效率的電源電路，用于信號收發(fā)的無(wú)線(xiàn)IC、微控制器和傳感器。要知道能量收集源提供的電能由源運行的時(shí)長(cháng)決定。比較回收能源的主要指標在于功率密度，而非能源密度。而能量收集一般會(huì )受較低、可變、不可預測的可用功率水平影響，所以通常使用混合結構，與收集器和二次儲能器連接。另外，收集器可以提供無(wú)限量的電源但功率不足，是系統的能量來(lái)源。二次儲能器（電池或電容）產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲的電能較少，可在需要時(shí)提供電源，并且需要定期從收集器接收充電。所以，在不存在環(huán)境能源，無(wú)法收集電能的環(huán)境中，必須使用二次儲能器來(lái)為傳感器供電。

典型能量收集系統的主要模塊

在這個(gè)過(guò)程中，低能耗環(huán)境下消耗最少電能且穩定可用的低功耗微控制器和換能器至關(guān)重要。目前這種能量收集器模塊的現有實(shí)施方法如上圖所示。它們通常由低性能分立器件配置構成，一般包含30個(gè)或更多器件，具有低轉換效率和高靜態(tài)電流，這些會(huì )導致終端系統的性能降低。由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出最低限制，所以在給輸出提供額外功率之前，它必須先克服自身運行所需的電流電平。

不難看出，直到高效率、低功耗集成電路的出現，電源電路等設備功耗大幅降低，能量收集技術(shù)這才開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。作為能源采集技術(shù)領(lǐng)域的專(zhuān)家，ADI提供多種面向能量收集應用的高性能和低功耗IC，能夠將來(lái)自環(huán)境的微能量高效率轉換為穩壓電壓或為電池和超級電容器存儲元件充電。

LTC3109 是一款高度集成的DC-DC轉換器和電源管理器。它可以從極低輸入電壓源收集剩余能量并進(jìn)行管理，例如TEG、熱電堆，甚至小型太陽(yáng)能電池。其獨特的專(zhuān)有自動(dòng)極性變換拓撲使其能夠使用低至30 mV的輸入源進(jìn)行操作，無(wú)論輸入源是什么極性。

下圖所示的電路使用兩個(gè)緊湊型升壓變壓器將輸入電壓源升壓來(lái)提供給LTC3109的輸入，從而為無(wú)線(xiàn)檢測和數據采集應用提供完整的電源管理解決方案。它可以收集較小的溫度差并生成系統電源，而不是使用傳統的電池電源。

LTC3109典型應用原理圖

然后，使用外部充電泵電容和LTC3109內的整流器來(lái)提升和整流每個(gè)變壓器的二次繞組上產(chǎn)生的交流電壓。這個(gè)整流器電路將電流輸入VAUX引腳，為外部VAUX電容充電、然后是其他輸出充電。內部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

MAX20361原理圖

MAX20361能夠在諸多空間嚴重受限的產(chǎn)品中支持太陽(yáng)能充電，提供能源補充，進(jìn)而有效延長(cháng)設備的運行時(shí)間。與最接近的競爭產(chǎn)品相比，這款太陽(yáng)能采集器將方案尺寸縮小至少一半。此外，與最接近的競爭產(chǎn)品相比，MAX20361的升壓效率提升多達5％，提高收集能量，同時(shí)結合其自我調整MPPT技術(shù)，進(jìn)一步提高整體系統的工作效率。

主要優(yōu)勢包括最小尺寸，得益于器件本身的小尺寸優(yōu)勢，以及更小、更少的外部組件，為業(yè)界提供最小的太陽(yáng)能收集方案；方案尺寸比最接近的競爭產(chǎn)品縮小至少50％。具高效率，高升壓效率最大程度地提高能量收集，升壓效率比最接近的競爭產(chǎn)品提高至少5％；自我調整MPPT技術(shù)與獨特的能量收集電量計相結合，能夠掌控實(shí)時(shí)效率以?xún)?yōu)化效能，進(jìn)一步提高能量采集產(chǎn)能。

ADP5091原理圖

ADP5091是一款智能集成式能量采集納米電源管理解決方案，可轉換來(lái)自PV電池或熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。其提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉換，工作損耗為亞μW級別。利用內部冷啟動(dòng)電路，調節器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調節器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內正常工作。額外的150mA調節輸出可通過(guò)外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過(guò)檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內，從而保持穩定的DC-DC升壓轉換。在OCV動(dòng)態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調節點(diǎn)允許最大限度地提取采集器的能量。

隨著(zhù)數字化時(shí)代的來(lái)臨，越來(lái)越多的企業(yè)開(kāi)始采納免電池的供電方案，在這個(gè)過(guò)程中能量采集技術(shù)是不可或缺的關(guān)鍵。此舉不僅減少了污染物的產(chǎn)生，其節約的成本也非?？捎^(guān)。特別是在工業(yè)、農業(yè)、醫療等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設備的快速增加勢必會(huì )大量提高成本，而這種具備可持續性且擁有更高性?xún)r(jià)比的無(wú)源供電方案無(wú)疑更有優(yōu)勢，能幫助各行各業(yè)低成本完成數字化轉型，進(jìn)一步提高企業(yè)核心競爭力。