工業(yè)自動化中的獲取能量傳感器和無線鏈路的路徑

壓電和熱電輸入的能量可用于為微控制器和無線鏈路發(fā)電，以監(jiān)控和控制工業(yè)自動化中的設備，無需電池或電源線。

工業(yè)環(huán)境可能很苛刻，但這為從周圍環(huán)境獲取能量傳感器和無線鏈路提供了理想的機會。能夠將傳感器放置在需要的地方而不必擔心布線，從而節(jié)省了成本，并且可以更加密切地監(jiān)控設備，降低運營成本并允許及時進行維修和升級。某些形式的能量收集并不真正適合工業(yè)自動化，而其他形式的能量收獲則很旺太陽能電池在工業(yè)照明下效率不高，工業(yè)自動化的目標是創(chuàng)造一個“熄燈”的制造場地，而射頻環(huán)境可以是間歇性的，排除這些技術。然而，更高的溫度和振動 - 這兩者都被認為是對其他系統(tǒng)的挑戰(zhàn) - 是為傳感器供電的理想能源。惡劣的環(huán)境意味著存在重大的設計和封裝挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)更加特定于工業(yè)自動化。

振動能量

Midé的Volture V25W（圖1）是一種專利壓電晶體，采用堅固的包裝，旨在從振動中獲取能量。它采用氣密密封，適用于惡劣環(huán)境，因此無需焊接即可連接所有引線，以避免潛在的故障點。它有不同的尺寸可供選擇，以滿足特定的應用需求。其主要優(yōu)勢在于它可以直接與凌力爾特公司的LTC3588電源管理IC和薄膜電池等現(xiàn)成產(chǎn)品集成，從而簡化系統(tǒng)集成。

圖1：MidéV25W壓電傳感器。

它專門針對工業(yè)健康監(jiān)測網(wǎng)絡傳感器和維護傳感器，以及無線高壓空調傳感器。能夠監(jiān)控HVAC的狀態(tài)對于確保嚴格控制工廠車間的溫度至關重要。

使用該設備的最佳方法是將其安裝在振動源上的懸臂配置中，并調整晶體的固有頻率以匹配振動源的頻率。要做到這一點，必須了解設備運行的振動環(huán)境，可以通過加速度計來捕獲振動數(shù)據(jù)，并通過對數(shù)據(jù)執(zhí)行FFT（快速傅里葉變換）來提取相關的頻率信息。一些應用將不需要該步驟，因為主要頻率是固有已知的，例如120Hz AC電動機或60Hz器具。但是，大多數(shù)應用需要某種形式的振動表征。

為了利用共振束收獲來獲取最多能量，基座和夾具均由剛性材料構成，完全沒有毛刺和缺陷。使用剛性材料可以最大限度地減少通過夾具結構的能量消耗，并避免毛刺和缺陷，從而最大限度地降低設備上應力集中的可能性，從而導致過早失效。

夾具應完全伸出設備內的壓電元件，并且為了可靠的長期安裝，固定夾具的緊固件應適當扭轉，并應使用鎖緊墊圈或某種鎖定粘合劑加固。直鉗夾是最簡單且通常最具成本效益的夾具，但彎曲夾具可略微提高換能器的性能，并為傳感器和無線鏈路提供更多能量。

通過在懸臂裝置的末端添加質量來調整設備，直到壓電梁的固有頻率與振動源相同。調諧質量越大，Volture的固有頻率越低。對于非永久性安裝或主動調整，最好使用蜜蜂蠟或其他形式的非永久性附件進行調整。這允許質量沿著梁移動以進行調整。

根據(jù)用戶可用的設備，有多種方法可以調整設備。只要電子設備允許測量輸出功率，示波器就可以直接連接到兩個輸出引腳或通過用戶使用的任何電子設備。然后可以調節(jié)調諧質量直到達到最大功率。

另一種調節(jié)V25W的簡單方法是測量設備在受到脈沖機械負載激勵時“振鈴”的頻率。最簡單的方法是將一個壓電晶體引腳（P1和P2）直接連接到示波器上進行監(jiān)控并添加尖端質量。只需用手指輕彈設備的末端即可施加脈沖機械負載，這將導致懸臂梁“振鈴”。衰減波的頻率是設備調諧的固有頻率。這可以通過將質量遠離夾緊點移動以降低頻率或通過將其移近以增加頻率來改變。但是，如果固有頻率不接近所需頻率，則可能需要不同的尖端質量或不同的產(chǎn)品。

V25W的功率輸出能力是使用這種技術在振動平臺或振動器上測量的，其尖端質量可以改變固有頻率。然后振蕩器的頻率與裝置匹配，以提供最佳的能量收集。在這些頻率中的每一個頻率下測試了四種不同的振幅（0.25，0.375，0.5和1.00g），并且對壓電的輸出進行了整流，然后將其放置在純電容負載上。

圖2顯示了電容器上的電壓（工作電壓）和電容器的瞬時功率與代表性振動水平和頻率的時間關系，表明當工作電壓大約為開路電壓的一半時功率增加，直到達到峰值值。之后，它會減少。

圖2：電容器上的工作電壓和電容器瞬時功率與時間的關系，代表性的振動水平和頻率。

電源管理

V25W也直接與凌力爾特公司的LTC3588接口（如圖3所示）。這是一款專為能量收集應用而設計的超低靜態(tài)電流電源。這可以對電壓波形進行整流，并將收集的能量存儲在外部電容上，通過內部并聯(lián)穩(wěn)壓器排出任何多余的電能。它還通過納米級高效率同步降壓穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定的輸出電壓。

圖3：使用Mide V25W作為振動能量采集器為無線傳感器供電。

LTC3588采集能量并將其轉換為可用的輸出電壓，為任何類型的電子系統(tǒng)供電。某些應用可能需要比典型壓電產(chǎn)生的峰值功率更多的峰值功率，因此IC可以在更長的時間內累積能量，以便有效地用于短時間突發(fā)，例如發(fā)送帶有傳感器數(shù)據(jù)的短無線電脈沖。允許的爆發(fā)頻率與來自壓電的功率和每次爆發(fā)的總能量成正比。

輸入和輸出電容的值取決于應用的能量需求和負載要求。對于100 mA或更小的負載，在輸入端存儲能量利用高壓輸入，因為芯片上的降壓轉換器可以有效地向負載提供平均100 mA的電流。然后應調整輸入電容的大小以存儲足夠的能量，以在所需的時間長度內提供輸出功率，同時也不會降至欠壓鎖定下降閾值（UVLO下降）。該閾值比所選的調節(jié)輸出高約300 mV。

降壓轉換器還針對10μH至100μH范圍內的電感進行了優(yōu)化。對于空間受限的應用，10μH的值是足夠的，但100μH可以提供更高的效率，特別是當輸入和輸出電壓之間的比率增加時。電感還應具有大于350 mA的直流電流額定值，因為較低的值會降低降壓轉換器的效率。

熱能

EnOcean的EDK352（圖4）提供了一個Peltier效應傳感器，利用熱能產(chǎn)生驅動RF鏈路的功率。通常使用標準的低成本Peltier元件，從兩度溫差開始，工作電壓為20 mV。

圖4：EnOcean EDK352熱能評估套件。

輸出功率范圍為μW至mW，取決于Peltier元件的實際溫差。為了獲得最佳的發(fā)電機效率，輸出電壓可輕微調節(jié)。輸入電壓為20 mV至50 mV，輸出電壓范圍為3 V至4 V.

該套件適用于建筑和工業(yè)自動化的無線傳感器，如溫度傳感器，過程控制和預防性維護以及控制并監(jiān)控水閥，風門和其他機械裝置。

評估套件

為了評估完整的能量收集系統(tǒng)，Cymbet CBC-EVAL-09（圖5）是一種通用能量收集（EH）評估套件，它將多個EH傳感器中的任何一個與EnerChip能量處理器相結合和100μA固態(tài)電池模塊。它配有太陽能電池，用于初始評估套件測試，但可與壓電或熱電傳感器一起使用，從單個輸入端收集振動或熱能。如果兩個壓電電子束在同一個傳感器單元中機械耦合在一起以獲得更高的功率輸出，則兩個可以連接到單獨的引腳。

圖5：Cymbet EVAL-09能量收集評估系統(tǒng)。

EVAL-09可為負載提供數(shù)百微瓦的連續(xù)功率，但在無線電和微控制器下運行的應用通常需要在峰值負載條件下數(shù)十至數(shù)百毫瓦。可以通過限制負載供電的時間量并等待能量采集器在隨后的操作開始之前補充能量存儲裝置的足夠時間來解決該差異。在典型的遠程RF傳感器應用中，“開啟”時間大約為5-20毫秒，“關閉”時間為幾秒到幾小時，具體取決于應用和可用能源。在設計無線系統(tǒng)時，占空比是一個重要的考慮因素。雖然計算功率預算并設計系統(tǒng)在可用功率和能量的約束下工作相對簡單，但很容易忽略將系統(tǒng)初始化為已知狀態(tài)并完成無線電鏈路所需的功率。網(wǎng)狀網(wǎng)絡中的主機系統(tǒng)或對等節(jié)點。初始化階段有時需要穩(wěn)態(tài)操作所需功率的兩到三倍。

理想情況下，當系統(tǒng)上電復位處于活動狀態(tài)時，硬件應處于低功耗狀態(tài)。如果無法做到這一點，微控制器應盡快將硬件置于低功耗狀態(tài)。

完成此操作后，微控制器應進入睡眠狀態(tài)足夠長的時間，以便能量采集器補充存儲設備。如果在此階段未超過功率預算，系統(tǒng)可以繼續(xù)其初始化。設計人員需要小心確保系統(tǒng)在此階段的開啟時間不超過功率預算，并且可能需要幾個睡眠周期來“逐步”將系統(tǒng)升級到其主要運行狀態(tài)。

在大多數(shù)系統(tǒng)功率預算中，所需的峰值功率并不像需要功率的時間長度那么重要。仔細選擇RF鏈路的消息協(xié)議會對總體功率預算產(chǎn)生重大影響。在許多情況下，使用可以打開，快速穩(wěn)定并且可以關閉的更高功率模擬電路可以減少總體能量消耗。

單片機的時鐘頻率也會對功耗預算產(chǎn)生重大影響。在一些應用中，使用更高的微控制器時鐘頻率來減少微控制器和外圍電路活動的時間可能是有利的。避免使用將微控制器數(shù)字輸入偏置到中等電壓的電路;這會導致大量的寄生電流流過。

EVAL-09使用Seiko S-882Z24-M5T1G電荷泵在啟動時累積能量，然后將這些能量轉儲到CBC915能量處理器中。處理器啟動后，它會自動禁用精工電荷泵并運行更高效的電感式升壓轉換器。

CBC915找到最大峰值功率點所需的時間長度很大程度上受能量收集傳感器產(chǎn)生的輸入信號穩(wěn)定性的影響。機械傳感器往往具有最大的電輸入噪聲，因此花費大部分時間讓處理器找到最大峰值功率點。在第一次找到最大峰值功率點之后，用于找到該點的系數(shù)被存儲在存儲器中以供使用。除非系統(tǒng)失去電壓調節(jié)或由微控制器復位，否則不會再嘗試找到最大峰值功率點。

對于零星的能源，Advanced Linear Technology的EH4205微功率增壓器模塊可以提供幫助。這是一種自供電升壓模塊，可將來自熱電或電磁發(fā)電機的低直流電壓輸入轉換為適用于許多低功耗能量收集應用的更高交流或直流電壓輸出。 EH4205無需單獨的電源即可運行，并可直接從低輸入電壓源獲取電源。它從低至200μW開始輸出功率電平，從而實現(xiàn)板載自啟動振蕩器。

結論

振動和熱能是使用無線網(wǎng)絡鏈路為最新傳感器供電的兩個關鍵來源，但設計需要仔細考慮有效地使用功率預算。通過正確的組件組合和良好的系統(tǒng)設計，工業(yè)自動化開發(fā)人員可以將自供電模塊用于各種控制和監(jiān)控應用。使用評估套件可以評估和測試不同的技術，以確保它們能夠滿足系統(tǒng)要求。