光伏電池在能量收集中的應用

　　超低功率解決方案可用于眾多的無線系統，包括交通運輸基礎設施、醫療設備、輪胎壓力檢測、工業檢測、樓宇自動化和貴重物品追蹤。此類系統通常在其服役生涯的大部分時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，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機械偏轉等參數并以無線的方式把這些數據傳送至一個遠程控制系統。整個測量、處理和傳送時間通常只有幾十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行再充電，最終還得更換。在許多此類應用中，實際更換電池的成本之高使其缺乏可行性。這使得環境能量源成為了一種更具吸引力的替代方案。

　　新興的毫微功率無線傳感器應用

　　就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調節器和光控開關等系統能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個機械或能量收集系統。除了可以免除首先進行線路安裝(或在無線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系統往往存在的例行維護成本。

　　類似地，運用能量收集技術的無線網絡能夠將一幢建筑物內任何數目的傳感器鏈接到一起，以通過在建筑物內無人居住時關斷非緊要區域的供電來降低采暖、通風和空調(HVAC)以及照明成本。

　　典型的能量收集配置或無線傳感器節點由4個模塊組成(見圖1)。它們是：1、一個環境能量源，比如：太陽能電池;2、一個用于給節點的其余部分供電的功率轉換組件;3、一個將節點鏈接到現實世界的感測組件以及一個計算組件(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);4、一個由短程無線單元組成的通信組件，用于實現與相鄰節點及外部世界的無線通信。

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

　　一旦電能產生出來，就可以由一個能量收集電路進行轉換并調整為合適的形式，用于給下游電子組件供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可利用一個模數轉換器加以處理，以通過一個超低功率無線收發器進行傳輸。

　　該鏈路中的每個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間，而超低功率收發器只是到最近才可實現與微控制器的集成(以提供非常低功率的無線連接)。不過，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個或更多的組件。此類設計具有低轉換效率和高靜態電流。這兩個缺陷均導致需要使用較大和更加昂貴的電池及太陽能電池，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間，這反過來又將延長從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。功率轉換電路中的高靜態電流會嚴重限制所能收集并輸送至應用負載的“可用”能量。而且，同時實現低靜態電流運作和高功率轉換效率還必需擁有高深的模擬開關模式電源專門知識——這很少能夠輕易獲得。

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

　　能量收集的個案分析

　　我們以一個基于能量收集的工業監測系統為例進行研究，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)。每個節點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秒鐘進行一次測量并報告測量結果。由于輸油管線長達數百英里，因此鋪設供電和信息線路將非常昂貴，且必須提供不間斷的維護，有可能需要進行代價高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項很花錢的工作，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生足夠功率的電源——它隨時可用并可自我保持。最常見和易于使用的能量源之一可能是一個與諸如電池或超級電容器等儲能元件協同運作的小型太陽能電池，用于在夜間及惡劣天氣條件下提供持續供電。

　　能量收集IC

　　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，專為大幅度地簡化收集和管理那些來自低電壓和高阻抗替代電源(例如：光伏電池、TEG(熱電發生器)和燃料電池)之能量的任務而設計。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，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。一個集成的最大功率點控制器(MPPC)使得能夠直接從高阻抗電源(比如光伏電池)來運作，從而防止輸入電源電壓驟降至可由用戶來設置的MPPC以下。峰值電流限值自動進行調節，以最大限度地增加從替代能源所吸取的功率，而突發模式操作則可將靜態電流減小至僅18μA，從而優化轉換器的效率。

　　圖2中示出的電路采用LTC3105從單個光伏電池給單節鋰離子電池充電。該電路使電池能夠在太陽能電源可用時持續充電，而反過來，當太陽能電源不再可用時，電池也能夠利用儲存的能量來為某個應用電路(例如：一個無線傳感器節點)供電。

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