所有這些能量收集的東西究竟意味著什么? - 全文

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(jié)點 (WSN) 到采用數(shù)百瓦時電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，產(chǎn)品種類非常豐富。不過，盡管產(chǎn)品種類繁多，這一領域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢卻比較集中，即：設計師所設計的產(chǎn)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(nèi)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(tǒng)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(tǒng)，這類系統(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(chǎn)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(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。不過，大多數(shù)情況下，會采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補充環(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

我們周圍有豐富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風力發(fā)電機。不過，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(fā)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(chǎn)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(fā)送器供電，而無需本地電源。

一般而言，在非傳統(tǒng)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(tài)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(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(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)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(fā)器組成。

在嘗試實現(xiàn) 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(xiàn)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(shù)的頻度有多高? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會有多大? 數(shù)據(jù)需要傳送多遠? 這是因為，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%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見表 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

 

 

 

所用電極材料類型

 

 

 

DC/DC 效率

 

 

 

 

 

傳感器

 

物理信號到電信號的轉換

 

 

 

支持組件的復雜性

 

 

 

信號采樣

 

 

 

信號調(diào)理

 

 

 

 

 

ADC

 

采樣率

 

 

 

混疊

 

 

 

高頻抖動

 

 

 

 

 

微處理器

 

內(nèi)核工作頻率

 

 

 

工作電壓

 

 

 

與處理和計算負載成比例的功率

 

 

 

環(huán)境溫度

 

 

 

應用代碼

 

 

 

外設利用率

 

 

 

 

 

無線電

 

調(diào)制方法

 

 

 

數(shù)據(jù)傳輸速率

 

 

 

傳輸范圍

 

 

 

工作占空比

 

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(tǒng)的能源。輔助電力儲存庫 (或者是電池或者是電容器) 能產(chǎn)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(huán)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(tǒng)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(huán)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(nèi)沒有環(huán)境能源可用
II. WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數(shù)據(jù)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(huán)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(nèi)不可用時，給輔助存儲庫充電

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

表 2：各種能源以及這些能源能夠產(chǎn)生之能量的多少

能源

 

所產(chǎn)生的典型能量值

 

典型應用

 

小型太陽能電池板

 

數(shù)百 mW/cm2 (太陽光直射)

 

手持式電子設備

 

小型太陽能電池板

 

數(shù)百 µW/cm2 (太陽光間接照射)

 

手持式電子設備

 

席貝克器件 (將熱能轉換成電能)

 

數(shù)十 µW/cm2 (體熱)

 

遠端無線傳感器

 

席貝克器件

 

數(shù)十 mW/cm2 (熔爐排氣煙囪)

 

遠端無線起動器

 

壓電器件 (靠器件的壓縮或撓曲產(chǎn)生能量)

 

數(shù)百 µW/cm2

 

手持式電子設備或遠端無線起動器

 

來自天線的 RF 能量

 

數(shù)百 pW/cm2

 

遠端無線傳感器

 

在很多應用中，這樣的功率值對系統(tǒng)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(diào)光窗
3) 橋梁監(jiān)視器
4) 樓宇自動化
5) 電量計
6) 氣體傳感器
7) 健康監(jiān)視器
8) HVAC 控制
9) 電燈開關
10) 遠程管道監(jiān)視器
11) 水表

非傳統(tǒng)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(yè)尋找各種降低能耗的方法，這個市場持續(xù)增長。例如，考慮一下智能電表。智能電表部署在智能電網(wǎng)上，而且由環(huán)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(tài)，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(tǒng)中所用組件必須能夠應對這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)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(diào)節(jié)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(xù)輸出電流，以延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩(wěn)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(wǎng)絡中那些能量收集應用。

LTC3330 的能量收集電源由全波橋式整流器組成，包含 AC 或 DC 輸入以及一個高效率同步降壓型轉換器，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。主電池輸入為一個同步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器的輸入電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，當沒有收集能量可用時，無論輸入高于、低于或等于輸出，該轉換器都可用來調(diào)節(jié)輸出。當收集能源不再可用時，LTC3330 自動轉換到電池。這就帶來了一個附加的好處，即如果合適的能量收集電源至少在一半的時間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長至超過 20 年，而能量收集電源若更加普遍存在，可用時間甚至更長。這是非常有意義的，因為一塊 Tadiran“C”電池的價格約為 16 美元。因此人工更換電池的成本非常高?；蛘?，用戶可以使用一塊較小的 (壽命更短的) 電池，這樣可以降低系統(tǒng)總體成本。

結論

盡管為了正常工作，便攜式應用和能量收集系統(tǒng)有從數(shù)微瓦到高于 1W 的多種功率級，但是有很多電源轉換 IC 可供系統(tǒng)設計師選擇。不過，在功率范圍的較低端，需要轉換數(shù)納安的電流，這里的選擇就變得有限了。

幸運的是，LTC3330 能量收集器和電池壽命延長器具備極低的靜態(tài)電流，適用于低功率應用。在便攜式電子設備中，低于 1 微安的靜態(tài)電流可延長保持有效電路的電池壽命，實現(xiàn)了如 WSN 等新一代能量收集應用。