去外部電源化趨勢(shì)改變傳感器供電的方式

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))要問傳感器的發(fā)展趨勢(shì)，低功耗、微型化、智能化這些大家都能說出來，而且或多或少能從傳感器的實(shí)際應(yīng)用中感受到這些趨勢(shì)帶來的變化。相較于這些很明顯的發(fā)展趨勢(shì)，傳感器的去外部電源化的趨勢(shì)反而不算起眼。

可能是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中我們習(xí)慣了電的存在，去外部電源的發(fā)展帶來的改變并不能讓我們的感受很強(qiáng)烈。在這一趨勢(shì)發(fā)展之前，對(duì)于電子產(chǎn)品來說電源無疑就是所有“動(dòng)力”的來源，很難想象沒有電源的支持如何使傳感器內(nèi)的芯片、器件正常工作。

去外部電源化趨勢(shì)改變傳感器供電的方式

簡(jiǎn)單來說，去外部電源化的傳感要實(shí)現(xiàn)的就是在沒有電源的情況下，傳感器依然能借助某種方式采集能量完成傳感工作。這是與傳統(tǒng)傳感收集能量方式完全不同的地方。需不需要外接電源本身就是很模糊的一套說法(例如電感式傳感、電阻應(yīng)變傳感同樣是無源傳感)，我們這里所說的是能實(shí)現(xiàn)傳感器在沒有外接電源下實(shí)現(xiàn)能量采集并有效利用。

在傳統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問題一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。在低功耗、微型化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)下，節(jié)點(diǎn)的供電問題再次被放大。如果能在傳感器內(nèi)部元件間能去節(jié)點(diǎn)電流，那么其結(jié)構(gòu)會(huì)更緊湊、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)也會(huì)大大簡(jiǎn)化。

以最被大家熟悉的紅外傳感為例，無需外接電源供電的紅外傳感會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的光譜波長(zhǎng)要求來檢測(cè)其收到的光信號(hào)，并將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能。此時(shí)，元件內(nèi)部?jī)蓚€(gè)電觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)電通道，從而開啟并持續(xù)為傳感器的運(yùn)作供電。這種持續(xù)供電的循環(huán)是這種發(fā)展趨勢(shì)下傳感器理想的狀態(tài)。

環(huán)境能量采集電量微弱如何解決?

上面所說這種理想狀態(tài)其實(shí)不太容易達(dá)到，這種偏傳統(tǒng)的環(huán)境能量采集通常都會(huì)面臨采集到的電量微弱的難題。想要實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電循環(huán)的困難，辦法也有不少。隨著模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的能量采集方案的出現(xiàn)使得傳感器在設(shè)計(jì)上可以較為容易地實(shí)現(xiàn)這種高效率的能源管理。

這種針對(duì)傳感器發(fā)展中采集電量微弱痛點(diǎn)的能量收集IC可以為傳感器收集到的能源提供高效率轉(zhuǎn)換至穩(wěn)壓電壓。對(duì)有限的采集到的能量進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換是傳感器對(duì)此類IC最直接的要求。

在PV電池能量采集以及具備能量采集功能的傳感器上，能量采集PMU應(yīng)用得很廣泛。能量采集PMU必須要能在很低的環(huán)境能量狀態(tài)下進(jìn)行工作，這要求其有極快的冷啟動(dòng)速度。內(nèi)部冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器開始在電壓跨度可能極大的范圍下工作。這種能量采集PMU要能在μW到mW范圍內(nèi)對(duì)采集到的能量進(jìn)行高效的轉(zhuǎn)換，同時(shí)自身的工作損耗不能超過亞μW級(jí)，才能支持起電能自足的傳感器節(jié)點(diǎn)。

NFC也成去外部電源發(fā)展一大助力

NFC的無線充電功能與物聯(lián)網(wǎng)傳感器的去外部電源發(fā)展極為匹配，成為推動(dòng)傳感器發(fā)展的一大助力。較為有代表性的是啟緯科技的TurboNFC無線能量采集技術(shù)，簡(jiǎn)單來說，傳感器通過NFC從傳入的射頻輻射功率傳感器接口和射頻傳輸獲取能量。這種取電技術(shù)和NFC的無線充電有異曲同工之妙。

無線取電目前高采集效率在300mW左右，取電能力的高低會(huì)直接影響傳感器的效率，300mW對(duì)于小型的傳感器應(yīng)用還是應(yīng)付得過來的。但和NFC無線充電一樣，現(xiàn)階段這些技術(shù)在可行性上沒有問題，但是離商業(yè)化大規(guī)模鋪開應(yīng)用還有一段距離。畢竟目前這種功率這種效率的能量采集還不足以支持傳感器完全擺脫電源的限制，但不可否認(rèn)這種取電技術(shù)讓傳感器去外部電源多了一種發(fā)展的可能性。

寫在最后

完全沒有外部電源支撐的傳感器內(nèi)的芯片、器件能夠正常工作，已經(jīng)不再是一個(gè)不可實(shí)現(xiàn)的想象。多種能量采集方式的結(jié)合將提高不同條件下傳感器收集能量的能力，各種功能的去外部電源化的傳感器在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)開始大顯身手。

原文標(biāo)題：無需外部電源的傳感器供電問題如何解決?

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審核編輯：湯梓紅