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(yīng)用領(lǐng)域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 到采用數(shù)百瓦時(shí)電池組的推車(chē)式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，產(chǎn)品種類(lèi)非常豐富。不過(guò)，盡管產(chǎn)品種類(lèi)繁多，這一領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)卻比較集中，即：設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品不斷需要更大的功率，以支持日益增多的功能；設(shè)計(jì)師要求用任何可用電源都能給電池充電。第一種趨勢(shì)意味著增大電池容量。不幸的是，用戶常常沒(méi)有那么大的耐心，所以增大的容量必須能夠在合理的時(shí)間內(nèi)充完電，這又導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢(shì)需要電池充電解決方案具有極大的靈活性，因?yàn)檫@類(lèi)解決方案需要應(yīng)對(duì)多種輸入電源和功率。

幸運(yùn)的是，在功率范圍的低端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如在 WSN 中常見(jiàn)和必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC 的能量收集系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)處理非常小的功率和電流，可能分別是數(shù)十微瓦的功率和幾納安的電流。

最新的和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品，例如在振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏電池中使用的能量收集產(chǎn)品，在典型工作條件下，能產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這種量級(jí)的功率看似有限，但是收集組件在很多年之中的運(yùn)行意味著，就能量供應(yīng)和每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命的主電池可以做到大致相似。此外，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數(shù)情況下，會(huì)采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補(bǔ)充環(huán)境能源，如果環(huán)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?chē)胸S富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過(guò)，新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到”可用來(lái)給電路供電的能量之多少。例如，熱電發(fā)生器將熱 (或冷) 轉(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲(chǔ)器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電，而無(wú)需本地電源。

一般而言，在非傳統(tǒng)能源市場(chǎng)使用的 IC 必須具備的性能特點(diǎn)如下：

很小的備用靜態(tài)電流：一般情況下低于 6µA，最低可低至 450nA

 很低的啟動(dòng)電壓：低至 20mV

 很強(qiáng)的輸入電壓能力：高達(dá) 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

 能夠處理 AC 輸入

 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理

自動(dòng)極性工作

 面向太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)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(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)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(fā)器組成。

在嘗試實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是：需要多少功率才能使該 WSN 運(yùn)行? 理論上，這個(gè)問(wèn)題似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單；然而，現(xiàn)實(shí)情況是，由于一些因素使這問(wèn)題有點(diǎn)難以回答。例如，獲取讀數(shù)的頻度有多高? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會(huì)有多大? 數(shù)據(jù)需要傳送多遠(yuǎn)? 這是因?yàn)?，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會(huì)影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見(jiàn)表 1。

表 1：影響 WSN 功耗特性的因素

 

 

影響功耗的因素

 

電源 (或電池)

 

充電速率

 

 

 

電池尺寸

 

 

 

電源

 

 

 

所用電極材料類(lèi)型

 

 

 

DC/DC 效率

 

 

 

 

 

傳感器

 

物理信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換

 

 

 

支持組件的復(fù)雜性

 

 

 

信號(hào)采樣

 

 

 

信號(hào)調(diào)理

 

 

 

 

 

ADC

 

采樣率

 

 

 

混疊

 

 

 

高頻抖動(dòng)

 

 

 

 

 

微處理器

 

內(nèi)核工作頻率

 

 

 

工作電壓

 

 

 

與處理和計(jì)算負(fù)載成比例的功率

 

 

 

環(huán)境溫度

 

 

 

應(yīng)用代碼

 

 

 

外設(shè)利用率

 

 

 

 

 

無(wú)線電

 

調(diào)制方法

 

 

 

數(shù)據(jù)傳輸速率

 

 

 

傳輸范圍

 

 

 

工作占空比