所有這些能量收集的東西究竟意味著什么?

引言

便攜式電源應用領域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無線傳感器節點 (WSN)  到采用數百瓦時電池組的推車式醫療或數據采集系統，產品種類非常豐富。不過，盡管產品種類繁多，這一領域呈現的發展趨勢卻比較集中，即：設計師所設計的產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。第一種趨勢意味著增大電池容量。不幸的是，用戶常常沒有那么大的耐心，所以增大的容量必須能夠在合理的時間內充完電，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 中常見和必須使用電源轉換 IC  的能量收集系統，這類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品，例如在振動能量收集和室內光伏電池中使用的能量收集產品，在典型工作條件下，能產生毫瓦量級的功率。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，就能量供應和每能量單位的成本而言，能量收集產品與長壽命的主電池可以做到大致相似。此外，采用能量收集技術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。不過，大多數情況下，會采用環境能源作為主電源，而用主電池補充環境能源，如果環境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

能量收集 WSN

我們周圍有豐富的環境能源，傳統的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風力發電機。不過，新的收集工具允許我們利用多種環境能源產生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而是“平均收集到”可用來給電路供電的能量之多少。例如，熱電發生器將熱  (或冷) 轉換成電，壓電組件轉換機械振動，光伏組件轉換太陽光  (或任何光源)，通過化學作用產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送器供電，而無需本地電源。

一般而言，在非傳統能源市場使用的 IC 必須具備的性能特點如下：

? 很小的備用靜態電流：一般情況下低于 6μA，最低可低至 450nA

? 很低的啟動電壓：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

? 自動極性工作

? 面向太陽能輸入的最大功率點控制 (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、傳感器和收發器組成。

在嘗試實現 WSN 時，一個需要考慮的問題是：需要多少功率才能使該 WSN 運行?  理論上，這個問題似乎相當簡單;然而，現實情況是，由于一些因素使這問題有點難以回答。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，收發器大約消耗系統所用能量的 50%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統的功耗特性。參見表  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時間。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。收集能量時一般會遇到很小、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)  能產生更高的輸出功率，但是存儲的能量較少，從而在需要時供電，否則定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有環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境能源的不足。而僅是需要儲存多少能量這個問題，就取決于幾種因素，包括：

I. 在多長時間內沒有環境能源可用

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) 的大小和類型

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

環境能源包括光、熱量差、振動波束、所發送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產生電荷的能源。以下表 2 說明了不同能源能夠產生之能量的多少。

表 2：各種能源以及這些能源能夠產生之能量的多少

在很多應用中，這樣的功率值對系統部署都是有意義的。以下列舉幾個例子：

1) 飛機腐蝕傳感器

2) 汽車調光窗

3) 橋梁監視器

4) 樓宇自動化

5) 電量計

6) 氣體傳感器

7) 健康監視器

8) HVAC 控制

9) 電燈開關

10) 遠程管道監視器

11) 水表

非傳統能源帶來了很多機會，一個很好的例子是太陽能供電電子設備市場。隨著企業尋找各種降低能耗的方法，這個市場持續增長。例如，考慮一下智能電表。智能電表部署在智能電網上，而且由環境能源給智能電表供電很有利，可以降低運營能源成本。一種可行和充足的能源是太陽能。然而，由于太陽能的功率可變而且不可靠，幾乎所有太陽能供電設備都配備可再充電電池。因此，一個重要的目標是，抽取盡可能多的太陽能，以給這些電池快速充電，并保持其充電狀態，當沒有太陽能可用時，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，系統中所用組件必須能夠應對這么低的功率水平。盡管收發器和微控制器已經解決了這個問題，但是在電源轉換方面，仍然存在空白。不過，專門為了滿足這種需求，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，提供高達 125mA  的連續輸出電流，以延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定功率時，該器件無需電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅吸取 750nA  電流。LTC3330 集成了一個高壓能量收集電源，當用主電池供電時，還有一個同步降壓-升壓型 DC/DC  轉換器，這樣就可為能量收集應用提供一個不間斷的輸出，例如無線傳感器網絡中那些能量收集應用。