可以極大延長(zhǎng)系統(tǒng)主電池壽命的能量收集電源IC

背景信息

歷史上，遠(yuǎn)程無(wú)線傳感器一直依靠電池供電來(lái)測(cè)量數(shù)據(jù)并以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)。這種方式一直工作可靠，但傳感器網(wǎng)絡(luò)的可用壽命取決于電池的可用壽命。在有些應(yīng)用中，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是人員可及的，因此電池可以相對(duì)容易地更換，盡管會(huì)有一些費(fèi)用。這些電池設(shè)計(jì)為持續(xù)工作 5 年到 10 年時(shí)間，在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中，都屬于昂貴的組件。還有一些應(yīng)用，難以給電池充電，而且給電池充電屬于勞動(dòng)密集型任務(wù)，費(fèi)用高昂。例如，給核電站、煉油廠甚至地下設(shè)施中的無(wú)線傳感器的電池充電，相關(guān)費(fèi)用可能是非常巨大的。當(dāng)然，較大的電池可以提供較長(zhǎng)的壽命，但是較大的電池物理尺寸更大、成本更高，因此不是沒(méi)有代價(jià)的。這樣一來(lái)，問(wèn)題就變成：“怎樣讓電池持續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間？”一個(gè)可能的答案是，找到一種可收集能源，當(dāng)可收集能源可用時(shí)，用該能源給傳感器節(jié)點(diǎn)供電，當(dāng)沒(méi)有可收集能源可用時(shí)，用主電池給傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

當(dāng)然，能量收集絕不是一個(gè)新概念。第一座利用水和重力驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)的水力發(fā)電廠建于 1882 年，提供了相對(duì)“綠色”和可持續(xù)的電力來(lái)源，這是一種規(guī)模非常大的可收集能源。然而，由于這種能源極度依賴(lài)自然形成的地勢(shì)，因此需要大型、昂貴的傳輸網(wǎng)絡(luò)。由于傳輸損耗隨距離加長(zhǎng)而升高，所以極大地降低了可用功率。不過(guò)，在很多情況下，給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電僅需幾毫瓦功率，所以可以使用規(guī)模較小的解決方案。

面向這類(lèi)應(yīng)用的解決方案已從一個(gè)非常不同的角度重新引入了能量收集概念，為緊湊的、主要采用無(wú)線傳送方式且在功率譜低端的應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)新的市場(chǎng)。這類(lèi)應(yīng)用需要的輸出功率從幾毫微瓦到數(shù)十毫瓦。盡管太陽(yáng)能電池 （光伏電池）、壓電換能器等非傳統(tǒng)電源已為大家所熟知，但是利用這類(lèi)非傳統(tǒng)電源供電一直富有挑戰(zhàn)性。這類(lèi)電源都需要某種類(lèi)型的電源轉(zhuǎn)換電路，以高效率地收集、管理并將這種可替換能源轉(zhuǎn)換成更加方便使用的電能，給傳感器、微控制器和無(wú)線換能器供電。無(wú)論電源電壓高于所需電壓、必須降壓轉(zhuǎn)換為可用電壓或在某些情況下，需要先整流，然后再進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，都必須有特定的能量收集電路。歷史上，這類(lèi)電路是非常復(fù)雜的分立式電路，具有多達(dá) 30 個(gè)組件，而且還要努力提供足夠高的效率以適合實(shí)際使用。直到不久前，才推出了專(zhuān)門(mén)的能量收集電源 IC，這類(lèi) IC 結(jié)合適當(dāng)?shù)膿Q能器，可組成緊湊、簡(jiǎn)單且效率非常高的電源轉(zhuǎn)換及管理解決方案。

這類(lèi)超低功率應(yīng)用包括多種無(wú)線系統(tǒng)，例如面向交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)檢測(cè)、樓宇自動(dòng)化、資產(chǎn)跟蹤等的無(wú)線系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)通常在大部分工作時(shí)間處于備用模式 （休眠），僅需要幾 μW 功率。系統(tǒng)喚醒時(shí)，傳感器測(cè)量壓力、溫度或機(jī)械偏轉(zhuǎn)等參數(shù)，然后以無(wú)線方式將這些數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程系統(tǒng)管理器。測(cè)量、處理和傳輸所用的全部時(shí)間通常僅為幾毫秒，但是在這么簡(jiǎn)短的時(shí)間內(nèi)卻需要數(shù)十 mW 功率。因?yàn)檫@些應(yīng)用的占空比通常很小，所以必須收集的平均功率仍然可以相對(duì)較小。盡管電源可能只是一塊電池，但是它最終仍需要替換。不過(guò)如果能量收集設(shè)計(jì)在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)可以使用環(huán)境能源，而當(dāng)沒(méi)有環(huán)境能源可用時(shí)，才使用電池，那么電池壽命就可以極大地延長(zhǎng)。

毫微功率無(wú)線傳感器應(yīng)用

以面向樓宇自動(dòng)化的無(wú)線傳感器系統(tǒng)為例。占位傳感器、恒溫器、光感應(yīng)開(kāi)關(guān)等系統(tǒng)都可以擺脫通常所需的電源或控制布線，而是結(jié)合使用通過(guò)能量收集而來(lái)的環(huán)境能源和電池給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)供電。除了不需要首先安裝線纜，這種替換方法也不需有線系統(tǒng)通常所需的日常維護(hù)，所以還可以進(jìn)一步節(jié)省費(fèi)用。

類(lèi)似地，采用能量收集技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還可以將大樓內(nèi)任何數(shù)量的傳感器連接到一起，以當(dāng)大樓內(nèi)沒(méi)人時(shí)，關(guān)閉非必要區(qū)域的電源，以此減少熱量、通風(fēng)和空調(diào) （HVAC） 以及照明費(fèi)用。

能量收集案例分析

我們考慮一個(gè)基于能量收集的 HVAC 監(jiān)視系統(tǒng)，例如一個(gè)工業(yè)園區(qū)的強(qiáng)制空氣流動(dòng)管道，該系統(tǒng)需要連續(xù)監(jiān)視空氣流動(dòng)速度、溫度和壓力。每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) （WSN） 都可能內(nèi)置了溫度、壓力和空氣流動(dòng)傳感器。測(cè)量和報(bào)告必須每隔 5 秒鐘進(jìn)行一次。由于 HVAC 系統(tǒng)分布在相當(dāng)長(zhǎng)的距離上，而且經(jīng)常深深地埋入樓宇基礎(chǔ)設(shè)施中，所以敷設(shè)供電和信息傳輸線纜的費(fèi)用非常高，且線纜需要時(shí)常維護(hù)，可能需要高昂的維修費(fèi)用。定期更換電池會(huì)導(dǎo)致非常高的費(fèi)用，因?yàn)槿〕雒恳粔K電池都屬于勞動(dòng)密集型任務(wù)。我們需要的是一個(gè)可連續(xù)運(yùn)行的電源系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境能源可用時(shí)，使用收集的環(huán)境能量，當(dāng)沒(méi)有環(huán)境能量可收集使用時(shí)，用電池供電，以盡量減小使用電池。最受歡迎、最容易得到的環(huán)境能源之一是振動(dòng)。小型壓電換能器可以簡(jiǎn)便地將 HVAC 壓縮機(jī)上的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成小電流 AC 電信號(hào) （參見(jiàn)圖 1）。這種收集能源需要整流和降壓，以提供可用的低電壓，為 WSN 供電。電池可用作備份電源，在暫時(shí)沒(méi)有收集能源可用時(shí)使用。然而，由于電池僅在部分時(shí)間使用，所以總體電池壽命可以極大地延長(zhǎng)。因此，能提供非常高的效率、超低靜態(tài)電流以及能在能量收集能源和電池之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換的能量收集 IC 是一種理想解決方案。

圖 1：所提供的功率隨壓電頻率變化

延長(zhǎng)電池壽命的 IC

凌力爾特不久前推出的 LTC3330 是一款完整的能量收集穩(wěn)壓解決方案，當(dāng)可收集能源可用時(shí)，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，可延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)從收集能源向負(fù)載穩(wěn)定供電時(shí)，該 IC 無(wú)需電池提供電源電流，當(dāng)在無(wú)負(fù)載情況下由電池供電時(shí)，僅需 750nA 工作電流。LTC3330 集成了一個(gè)高壓能量收集電源和一個(gè)同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由主電池供電，為 WSN 中常見(jiàn)的那些能量收集應(yīng)用產(chǎn)生單一無(wú)中斷輸出。能量收集電源由一個(gè)適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 （AC）、太陽(yáng) （DC） 或磁 （AC） 能源收集能量。主電池輸入為降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，當(dāng)沒(méi)有收集能量可用時(shí)，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，以在無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出時(shí)，都能調(diào)節(jié)輸出。當(dāng)沒(méi)有收集能源可用時(shí)，LTC3330 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。

LTC3330 的能量收集輸入在 3V 至 19V 的 AC 或 DC 電壓范圍內(nèi)工作，適用于壓電、太陽(yáng)或磁等多種能源。其輸入欠壓閉鎖門(mén)限設(shè)定值是在 3V 至 18V 范圍可編程的，從而使應(yīng)用能夠在能量收集電源的峰值功率傳送點(diǎn)上工作。其他特點(diǎn)包括可編程 DC/DC 和 LDO 輸出電壓、降壓-升壓峰值電流限制、一個(gè)集成的超級(jí)電容器充電器 / 平衡器和一個(gè)輸入保護(hù)分流電路 （在 VIN 》20V 時(shí)，電流高達(dá) 25mA）。

圖 2 所示電路顯示了采用壓電換能器 AC 輸入的 LTC3330。一般而言，應(yīng)用或者使用 AC1 端的 DC 輸入，而且有可能同時(shí)使用 AC2 端的第二個(gè)輸入，或者使用跨 AC1 和 AC2 連接的單個(gè) AC 輸入。如果能量收集電源是 AC 電源，例如由壓電換能器產(chǎn)生的電源，那么 LTC3330 就用集成的全波橋式整流器向輸入電容器提供 DC 電壓，而 DC 能量直接存儲(chǔ)到輸入電容器中。一旦輸入電容器上的電壓超過(guò) ULVO，LTC3330 的輸入優(yōu)先級(jí)設(shè)定器就關(guān)斷電池，并調(diào)節(jié)來(lái)自收集電源的輸出。VOUT 從 1.8V 至 5V 是引腳可編程的，該輸出通常為 RF 收發(fā)器供電。此外，1.2V 至 3.3V 的 LDO 輸出是低噪聲的，一般作為微處理器內(nèi)核電源使用。當(dāng)使用能量收集電源時(shí)，這兩個(gè)輸出相結(jié)合，可提供高達(dá) 125mA 的輸出電流，當(dāng)電池啟動(dòng)時(shí)，可提供 50mA 電流。在能量收集模式時(shí)，如果有多余的輸出功率，可以?xún)?chǔ)存到超級(jí)電容器中，以備將來(lái)使用，這進(jìn)一步延長(zhǎng)了電池壽命。集成的超級(jí)電容器平衡器可以用來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化能量存儲(chǔ)。需要特別指出的是，在使用能量收集電源時(shí)，電池的靜態(tài)電流為零，因此所有電池能量都能節(jié)省下來(lái)，以備將來(lái)使用。

圖 2：LTC3330 壓電能量收集 / 主電池原理圖

圖 3：LTC3330 方框圖

圖 3 更詳細(xì)地顯示了 LTC3330 集成的功能。集成的全波橋式整流器適合壓電或磁換能器等產(chǎn)生的 AC 輸入，將 AC 信號(hào)整流成 DC 信號(hào)。顯然，太陽(yáng)能電池等產(chǎn)生的 DC 輸入不需要整流。如果有多個(gè)換能器輸入，那么 LTC3330 就使用提供最高可用電壓 （功率） 的那一個(gè)。輸入電流通過(guò)輸入電容器收集，當(dāng)超過(guò)可編程 ULVO 門(mén)限時(shí)，優(yōu)先級(jí)設(shè)定器就關(guān)斷電池，由同步降壓型轉(zhuǎn)換器向輸出提供所需功率，該功率通過(guò) VOUT 引腳或低噪聲 LDO 輸出提供給負(fù)載；任何多余的功率都存儲(chǔ)在輸出電容器和 / 或超級(jí)電容器中。在這種狀態(tài)下，電池吸取的靜態(tài)電流為零。輸入保護(hù)分流電路為電壓超過(guò) 20V 的情況提供額外的安全保護(hù)。如果沒(méi)有能量收集輸入電源可用，那么優(yōu)先級(jí)設(shè)定器就自動(dòng)切換到同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，以提供所需輸出。在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間，VOUT 和 VLDO 都保持穩(wěn)定，從而為傳感器、無(wú)線發(fā)送器和微處理器提供了所需功率。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器能提供 1.8V 至 5.5V 的輸入，適合多種鋰離子電池。無(wú)論電池電壓是高于、等于還是低于 VOUT，該降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器都以超過(guò) 90% 的效率提供恒定電壓。與常規(guī)降壓型設(shè)計(jì)相比，降壓-升壓型架構(gòu)使電池運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng) 30% 以上。當(dāng)用電池工作時(shí)，總的輸出電流取決于 VIN/VOUT 之比和電池不能使用時(shí)之最終電壓，這輸出電流大約為 50mA。

VOUT 是低噪聲 LDO 輸出的輸入，該輸出范圍為 1.2V 直至比 VOUT 低 50mV，是引腳可編程的，非常適用于給多種微處理器 / 控制器內(nèi)核供電?？蛇x超級(jí)電容平衡器確保存儲(chǔ)能量有最長(zhǎng)壽命。VOUT 和 VLDO 都有電源良好狀態(tài)輸出，以從總體上減輕系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)。

那么電池壽命延長(zhǎng)了多少呢？

準(zhǔn)確地說(shuō)，電池壽命能夠延長(zhǎng)多少取決于環(huán)境能源的性質(zhì) / 可用性以及 WSN 需要的總功率。在前面所舉的 HVAC 例子中，如果壓縮機(jī)在所有時(shí)間都工作，整個(gè)系統(tǒng)由壓電能量收集電源供電，而電池僅用作備用電源，在停電或壓縮機(jī)檢修時(shí)使用，那么可以無(wú)限期地延長(zhǎng)電池壽命。類(lèi)似地，在火車(chē)應(yīng)用中，傳感器用來(lái)測(cè)量輪轂軸承溫度、貨物庫(kù)存或溫度；火車(chē)運(yùn)行時(shí)，壓電能量收集電源為系統(tǒng)供電，火車(chē)靜止時(shí)，由電池供電。這也會(huì)顯著延長(zhǎng)電池壽命，這種特點(diǎn)是軌道車(chē)輛特別需要的。

可以看到的另一個(gè)例子是太陽(yáng)能環(huán)境能源應(yīng)用。通過(guò)將一摞非常小的太陽(yáng)能電池用作能量收集電源，這類(lèi)系統(tǒng)白天能夠用太陽(yáng)能電池工作，同時(shí)也在輸出電容器和超級(jí)電容器中儲(chǔ)存多余的電能，當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)能電池輸入可用時(shí)，系統(tǒng)首先給輸出電容器和超級(jí)電容器放電幾個(gè)小時(shí)，然后再轉(zhuǎn)換到電池。視外部條件的不同而不同，這有可能至少將電池壽命延長(zhǎng) 2 倍。

至于電池壽命能延長(zhǎng)多少，答案是“視情況而定”。不過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間介于 2 倍至無(wú)限期之間，而且高度取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和輸入 / 輸出功率占空比。顯然，只有通過(guò)用能量收集 IC 納入能量收集電源、用主電池補(bǔ)充能量收集電源時(shí)，才有可能延長(zhǎng)電池壽命。在大多數(shù)情況下，這還使設(shè)計(jì)師能夠使用更小、更便宜的電池。

結(jié)論

就多種 WSN 應(yīng)用而言，增加合適的環(huán)境能源換能器和能量收集電源管理 IC 可以極大地延長(zhǎng)系統(tǒng)主電池的壽命。LTC3330 提供了這類(lèi)電源管理解決方案，該 IC 接受 AC 和 DC 環(huán)境能源以及主電池輸入，并在需要時(shí)在兩種電源之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換。此外，當(dāng)收集能源可用時(shí)，該 IC 還提供高效率且電池漏電流為零，可構(gòu)成非常緊湊、易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。在很多應(yīng)用中，LTC3330 都可無(wú)限期地延長(zhǎng)電池壽命，從而允許使用尺寸更小、成本更低的主電池，并降低了電池更換費(fèi)用。