一種無線傳感器的能量收集的實現

測量和控制所需的超低功率無線傳感器節點的激增，再加上新型能量收集技術的運用，使得由局部環境能量而非電池供電的全自主型系統成為可能。

　　能量收集無線傳感器系統簡化了眾多領域中的安裝和維護工作。

　　能量收集的好處是顯而易見的，不過，有效的能量收集系統需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費能量轉換為一種無線傳感器系統可以使用的形式。

　　1 歸根到底是占空比的問題

　　許多無線傳感器系統的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術進行供電的主要候選對象。很多傳感器節點用于監視緩慢變化的物理量。所以可以不經常進行測量，也不需要經常發送測量數據，因此傳感器節點是以非常低的占空比工作的。相應地，平均功率需求也很低。

　　例如：若一個傳感器系統處于喚醒狀態時的需要3.3V/30mA(100mW)的功率，但在每秒時間里只運行10ms，那么其所需的平均功率僅為1mW，假定在傳送突發的間隔期間不工作時，傳感器系統電流降至數μA。倘若這個無線傳感器只是每分鐘(而不是每秒鐘)進行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至20μW以下。由于大多數形式的能量收集均提供非常小的穩態功率(通常只有幾mW，有時甚至僅幾μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來供電。

　　2　能量收集源

　　可供收集的最常見能量源是振動(或運動)、光和熱。用于所有這些能量源的換能器都具有以下的共同特性：

　　a 它們的電輸出未經穩壓且不適合直接用于給電子電路供電

　　b 它們可能無法提供一個連續和不間斷的電源

　　c 它們往往只產生非常低的平均輸出功率(通常在10μW至10mW)

　　如果想把此類能量源用于給無線傳感器或其他電子線路供電，就必需針對上述特性進行明智而審慎的電源管理。

　　3 電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環

　　由收集能量供電的典型無線傳感器系統可分解為5個基本構件，如圖1所示。除了電源管理構件之外，所有這些構件成都已經用了有一段時間。比如：運行功率僅數μW的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型射頻(RF)發送器和收發器已被廣泛使用。低功率的模擬和數字傳感器也是無處不在。

　　在實現這種能量收集系統鏈路時，缺失的一環始終是可以靠一個或多個常見免費能源工作的功率轉換器/電源管理構件。能量收集的理想電源管理解決方案應具有小巧和易用的特點，在依靠由常見的能量收集源產生的異常高或低電壓工作時良好地運行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負載匹配以實現最優的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時所需消耗的電流必須非常小，且應在使用極少分立組件的情況下產生穩定的輸出電壓。

　　采用3mmx4mmx0.75mm12引腳DFN封裝或16引腳SSOP封裝的LTC3108解決了超低輸入電壓應用的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至20mV的情況下正常運作。憑借這種獨特的能力，LTC3108可利用一個熱電發生器(TEG)來為無線傳感器供電，并從小至1°C的溫度差(ΔT)收集能量。采用一個現成有售的小型(6mmx6mm)升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當今的無線傳感器電子線路供電所需的穩定輸出電壓。

　　LTC3108采用一個小的升壓型變壓器和一個內部MOSFET形成一個諧振振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓來工作。變壓器的升壓比為1:100時，該轉換器能以低至20mV的輸入電壓啟動。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該IC供電(通過VAUX引腳)，并給輸出電容器充電。2.2VLDO的輸出設計成首先進入穩定狀態，以盡快給一個低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由VS1和VS2引腳設置的電壓(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、RF收發器供電，甚至給超級電容器或電池充電。當無線傳感器工作并發送數據因而出現低占空比負載脈沖時，VOUT存儲電容器提供所需的突發能量。另外還提供了一個可由主機輕松加以控制的開關輸出(VOUT2)，以給不具備停機或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩定值時向主機發出警示信號。圖2示出了LTC3108的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外，其他則與LTC3108完全相同。

　　圖2：LTC3108的方框圖

　　一旦VOUT充電并進入穩定狀態，那么所收集的電流就被導向VSTORE引腳，以給一個可任選的大型存儲電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源是間歇性的，那么這個存儲元件就可用來保持穩壓狀態并給系統供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖3。VAUX引腳上的一個并聯穩壓器可防止VSTORE被充電至5.3V以上。

　　圖3：上電及斷電期間的電壓排序

　　采用一個邊長40mm的標準方形TEG，LTC3108能依靠低至1°C的ΔT來工作，從而使其適用于眾多的能量收集應用。在ΔT較高的情況下，LTC3108將能夠提供一個較高的平均輸出電流。