IoT設(shè)備中常見(jiàn)的能量收集系統(tǒng)

在功率范圍的低端，對(duì)能量收集系統(tǒng)有毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如：IoT設(shè)備中常見(jiàn)的能量收集系統(tǒng)。在此類(lèi)系統(tǒng)中，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。功率和電流可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

最新和現(xiàn)成有售的能量收集（E H）技術(shù)，例如：振動(dòng)能量收集產(chǎn)品以及室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生mW量級(jí)的功率。盡管這個(gè)量級(jí)的功率或許看似有限，但是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）等能量收集組件在若干年內(nèi)持續(xù)工作可能意味著，無(wú)論從所提供的能量還是從單位能量的成本上看，能量收集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命主電池都大致相當(dāng)。雖然主電池聲稱(chēng)能夠提供長(zhǎng)達(dá) 10 年的壽命，但這在極大的程度上取決于從其取出的功率級(jí)別以及抽取功率的頻度。擁有能量收集能力的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數(shù)實(shí)施方案都將用某種環(huán)境能量源作為主電源，而用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能量源消失或中斷，就可以接入主電池。這可被認(rèn)為是一種“電池壽命延長(zhǎng)器”能力，可為系統(tǒng)提供很長(zhǎng)的工作壽命─這接近于電池的工作壽命，對(duì)于鋰亞硫酰氯化學(xué)組成來(lái)說(shuō)通常約為 12 年。

當(dāng)然，能量收集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長(zhǎng)時(shí)間。因此，能量收集電源的主要比較指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集的可用功率一般很低、可變和不可預(yù)測(cè)，所以常常使用連接至收集器和輔助電源的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個(gè)存儲(chǔ)電容器。收集器由于能量供應(yīng)無(wú)限及功率不足而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)（或是電池或是電容器）產(chǎn)生較大的輸出功率，但存儲(chǔ)較少的能量，在需要時(shí)供電，而在其他情況下則定期從能量收集器接收電荷。

因此，在由于某種原因而沒(méi)有環(huán)境能量可供收集的時(shí)候，輔助電力儲(chǔ)存器可用來(lái)給下游電子系統(tǒng)或 WSN供電。

IoT也推動(dòng)了需求

支持物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的無(wú)線傳感器在激增，這增大了對(duì)面向較低功率無(wú)線設(shè)備而定制的小型、緊湊和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求。最近物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中新出現(xiàn)的細(xì)分市場(chǎng)之一是可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)，從能量收集的角度來(lái)看，這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)尤其令人感興趣。雖然仍處于萌芽期，但是該細(xì)分市場(chǎng)包括了諸如跑步機(jī)（FitBit）、谷歌眼鏡（GoogleGlass）和蘋(píng)果智能手表（Apple Watch）等產(chǎn)品。當(dāng)然，可穿戴技術(shù)不僅面向人類(lèi)，還有許多應(yīng)用是面向動(dòng)物的。近期出現(xiàn)的例子包括超聲波斑塊治療和針對(duì)馬匹的電子馬鞍優(yōu)化，以及針對(duì)其他動(dòng)物的頸圈，此類(lèi)頸圈以各種方式完成跟蹤、識(shí)別、診斷等任務(wù)。

不管是什么應(yīng)用，此類(lèi)設(shè)備大多需要一個(gè)電池作為主電源。然而，對(duì)于面向人類(lèi)的應(yīng)用而言，似乎不久就會(huì)出現(xiàn)可利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電力的面料。您可以把這種面料做成的衣服想象成“電力”套裝。在這一研發(fā)領(lǐng)域處于前沿的一家公司正在實(shí)施歐盟資助的項(xiàng)目Dephotex，這家公司有辦法制造重量足夠輕、柔性足夠好的可穿戴光伏材料。這種材料本身會(huì)將光子轉(zhuǎn)換成電能，然后用這種電能給用戶穿戴的各種電子設(shè)備供電，或者用來(lái)給這些設(shè)備的主電池充電，甚至兩種功能兼而有之。

IoT的一個(gè)顯而易見(jiàn)的應(yīng)用是健康監(jiān)測(cè)，不管是針對(duì)醫(yī)院的病患或是十分重視健康的個(gè)人。生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是衡量人體基本機(jī)能的生命體征數(shù)據(jù)。此類(lèi)信息包括體溫、脈搏/心率、呼吸速率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不良的變化，或許表示健康狀況下降，反之亦然。為了測(cè)量這些生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過(guò)，想象一下，假如不去醫(yī)療場(chǎng)所就能高效地測(cè)量此類(lèi)生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而且不用花費(fèi)很多，那么人們的生活質(zhì)量會(huì)有多大的改觀呢？例如：在家里或工作場(chǎng)所，可以按照實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)隨時(shí)地調(diào)整生活和行為方式，從而改善健康水平并有可能延長(zhǎng)甚至挽救生命。另一個(gè)例子也許是使用外骨骼以幫助提高截癱患者的可動(dòng)性，如圖1所示。幸運(yùn)的是，設(shè)備成本大幅降低，先進(jìn)的傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，因此使智能醫(yī)療和保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類(lèi)可穿戴設(shè)備包括較簡(jiǎn)單并可佩戴在身上的“單一生命體征”測(cè)量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過(guò)，從電源轉(zhuǎn)換 IC 的角度來(lái)看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。

圖1：使用毫微功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的人類(lèi)外骨骼示例

那么，典型智能可穿戴設(shè)備的運(yùn)行靠什么驅(qū)動(dòng)呢？可以把它想象成一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。準(zhǔn)確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身；不過(guò)一般來(lái)說(shuō)，智能型可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)包括下列部分：? 一個(gè)微處理器或微控制器或類(lèi)似的 IC? 微機(jī)電傳感器（MEMS）? 小型機(jī)械執(zhí)行器? 全球定位系統(tǒng)（GPS）IC? 藍(lán)牙/蜂窩/Wi-Fi 連接以收集/處理和同步數(shù)據(jù)? 成像電子組件、LED? 計(jì)算資源? 可再充電電池或主（不可再充電）電池或電池組? 支持性電子組件

因此，可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)顯然是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實(shí)現(xiàn)可穿戴性和舒適性，并擁有超低能耗以延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間/壽命。

實(shí)用型電源轉(zhuǎn)換解決方案

凌力爾特推出了多款電源轉(zhuǎn)換IC，這些 IC 擁有實(shí)現(xiàn)此類(lèi)可在IoT中使用的低收集功率所必需之特色和性能。

LTC3107 是一款高度集成的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)用于通過(guò)收集和管理來(lái)自極低輸入電壓電源（例如：熱電發(fā)生器 [TEG] 和熱電堆）的多余能量，以延長(zhǎng)低功率無(wú)線系統(tǒng)中主電池的壽命。

當(dāng)采用 LTC3107 時(shí)，一個(gè)負(fù)載點(diǎn)能量收集器所需的空間極小，只要足以容納 LTC3107 的 3mm x 3mmDFN 封裝和少量的外部組件即可。通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無(wú)縫地采用 LTC3107以把免費(fèi)熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)中。

此外，LTC3107 還能與一個(gè)小的熱能量源一起延長(zhǎng)電池壽命（在有些場(chǎng)合中可長(zhǎng)達(dá)電池的保質(zhì)期），從而降低了由更換電池所引起的經(jīng)常性維護(hù)成本。LTC3107 專(zhuān)為給電池提供補(bǔ)充甚至完全為負(fù)載供電而設(shè)計(jì)，這取決于負(fù)載情況和可用的收集能量。

另一個(gè)產(chǎn)品實(shí)例是 LTC3331（見(jiàn)圖2），其為一款完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，當(dāng)可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，而在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要950nA 的工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高電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)換器由可再充電主電池供電），以為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)（WSN）和IoT設(shè)備等能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出。

圖2：LTC3331 能轉(zhuǎn)換多種能源，并可使用一個(gè)可再充電主電池

LTC3331 的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)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電（A C）、太陽(yáng)能（DC）或磁性組件（AC）能源收集能量。一個(gè) 10mA 分路器用收集的能量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的電池充電，而低電量電池?cái)嘟庸δ軇t保護(hù)電池免于深度放電?？稍俪潆婋姵亟o同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入范圍內(nèi)工作，當(dāng)收集的能量不可用時(shí)用來(lái)調(diào)節(jié)輸出，而不管輸入高于、低于或等于輸出。在應(yīng)對(duì)微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器擁有非常重要且不可忽視的電源管理功能。LTC3331納入了對(duì)電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量收集電源有多余的能量時(shí)才給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳的工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)，無(wú)法給目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)收集的能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到電池。

這帶來(lái)了一個(gè)額外的好處，如果適合的能量收集電源至少在一半的時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN將其工作壽命從 10 年延長(zhǎng)至超過(guò) 20年，假如能量收集能源更加普遍存在，那么壽命甚至更長(zhǎng)。最后，LTC3335 毫微功率降壓-

升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)集成型庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，其面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和通用的能量收集應(yīng)用。LTC3335 是一款高效率、低靜態(tài)電流（680nA）轉(zhuǎn)換器。其集成的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器監(jiān)視長(zhǎng)壽命電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量。這個(gè)計(jì)數(shù)器在一個(gè)內(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)電池的累計(jì)放電量數(shù)字，該寄存器可通過(guò) I2C 接口訪問(wèn)。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可在其輸入端上的電壓低至 1.8V 時(shí)工作，并提供了 8 個(gè)引腳可選輸出電壓，輸出電流高達(dá) 50mA。為了適合多種類(lèi)型和尺寸的電池，峰值輸入電流的選擇范圍可以從低至 5mA 到高達(dá)250mA，而全標(biāo)度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器具有32,768:1的可編程范圍。

結(jié)論

智能IoT可穿戴設(shè)備市場(chǎng)近年來(lái)已出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，涌現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂(lè)、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關(guān)鍵生物統(tǒng)計(jì)信息，例如在醫(yī)院以外測(cè)量心率和血壓，這為采用更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類(lèi)型，但基本上由一個(gè)微控制器、MEMS 傳感器、無(wú)線連接電路、電池和支持性電子組件組成。同樣，在旨在改善樓宇能源效率以及用于工業(yè)機(jī)械和橋接器的系統(tǒng)健康狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，WSN 中的能量收集技術(shù)運(yùn)用激增，這是低功率轉(zhuǎn)換解決方案的一個(gè)主要的推動(dòng)因素。因此，雖然給小電流可穿戴式設(shè)備供電可以證明是非常具挑戰(zhàn)性的，不過(guò)凌力爾特提供了一個(gè)領(lǐng)先的產(chǎn)品庫(kù)，它們能夠在低功率級(jí)別上實(shí)現(xiàn)非常高的性能。