所有这些能量收集的东西究竟意味着什么?

引言

便携式电源应用领域既广泛又多样化。从仅消耗几微瓦平均功率的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦时电池组的推车式医疗或数据采集系统，产品种类非常丰富。不过，尽管产品种类繁多，这一领域呈现的发展趋势却比较集中，即：设计师所设计的产品不断需要更大的功率，以支持日益增多的功能；设计师要求用任何可用电源都能给电池充电。第一种趋势意味着增大电池容量。不幸的是，用户常常没有那么大的耐心，所以增大的容量必须能够在合理的时间内充完电，这又导致充电电流增大。第二种趋势需要电池充电解决方案具有极大的灵活性，因为这类解决方案需要应对多种输入电源和功率。

幸运的是，在功率范围的低端，是能量收集系统的毫微功率转换需求，例如在 WSN 中常见和必须使用电源转换 IC 的能量收集系统，这类系统处理非常小的功率和电流，可能分别是数十微瓦的功率和几纳安的电流。

最新的和现成有售的能量收集产品，例如在振动能量收集和室内光伏电池中使用的能量收集产品，在典型工作条件下，能产生毫瓦量级的功率。尽管这种量级的功率看似有限，但是收集组件在很多年之中的运行意味着，就能量供应和每能量单位的成本而言，能量收集产品与长寿命的主电池可以做到大致相似。此外，采用能量收集技术的系统一般能够在电量耗尽之后再充电，而由主电池供电的系统则做不到这一点。不过，大多数情况下，会采用环境能源作为主电源，而用主电池补充环境能源，如果环境能源消失或受到干扰，就可以接通主电池。

能量收集 WSN

我们周围有丰富的环境能源，传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们利用多种环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而是“平均收集到”可用来给电路供电的能量之多少。例如，热电发生器将热 (或冷) 转换成电，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 (或任何光源)，通过化学作用产生电流的组件转换潮气为能量。这使得有可能给远程传感器供电，或者给电容器、薄膜电池等存储器件供电，这样就能给地处偏僻的微处理器或发送器供电，而无需本地电源。

一般而言，在非传统能源市场使用的 IC 必须具备的性能特点如下：

很小的备用静态电流：一般情况下低于 6µA，最低可低至 450nA

 很低的启动电压：低至 20mV

 很强的输入电压能力：高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压

 能够处理 AC 输入

 多输出能力和自主的系统电源管理

自动极性工作

 面向太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)

能够从低至 1°C 的温度变化中收集能量

 外部组件最少和占板面积紧凑的解决方案

WSN 基本上是自含式系统，由某种换能器组成，以将环境能源转换成电信号，其后通常跟随的是 DC/DC 转换器和管理器，以用合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件通常由微控制器、传感器和收发器组成。

在尝试实现 WSN 时，一个需要考虑的问题是：需要多少功率才能使该 WSN 运行? 理论上，这个问题似乎相当简单；然而，现实情况是，由于一些因素使这问题有点难以回答。例如，获取读数的频度有多高? 或者，更重要的是，数据包会有多大? 数据需要传送多远? 这是因为，就获取一次传感器读数而言，收发器大约消耗系统所用能量的 50%。有几种因素会影响 WSN 能量收集系统的功耗特性。参见表 1。

表 1：影响 WSN 功耗特性的因素

 

 

影响功耗的因素

 

电源 (或电池)

 

充电速率

 

 

 

电池尺寸

 

 

 

电源

 

 

 

所用电极材料类型

 

 

 

DC/DC 效率

 

 

 

 

 

传感器

 

物理信号到电信号的转换

 

 

 

支持组件的复杂性

 

 

 

信号采样

 

 

 

信号调理

 

 

 

 

 

ADC

 

采样率

 

 

 

混叠

 

 

 

高频抖动

 

 

 

 

 

微处理器

 

内核工作频率

 

 

 

工作电压

 

 

 

与处理和计算负载成比例的功率

 

 

 

环境温度

 

 

 

应用代码

 

 

 

外设利用率

 

 

 

 

 

无线电

 

调制方法

 

 

 

数据传输速率

 

 

 

传输范围

 

 

 

工作占空比

 

当然，能量收集能源提供的能量取决于该能源能存在多长时间。因此，比较能量收集能源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。收集能量时一般会遇到很小、可变和不可预测的可用功率，因此常常采用混合结构，即连接收集器和辅助电力储存库的结构。收集器由于能量供应无限 (但功率不足) 而成为系统的能源。辅助电力储存库 (或者是电池或者是电容器) 能产生更高的输出功率，但是存储的能量较少，从而在需要时供电，否则定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有环境能源可供收集能量的情况下，必须用辅助电力储存库给 WSN 供电。当然，从系统设计师的角度看，这进一步增大了复杂程度，因为他们必须考虑，辅助电力储存库必须存储多少能量才能补偿环境能源的不足。而仅是需要储存多少能量这个问题，就取决于几种因素，包括：

I. 在多长时间内没有环境能源可用
II. WSN 的占空比 (即必须读取和传输数据的频度)
III. 辅助存储库 (电容器、超级电容器或电池) 的大小和类型
IV. 是否有足够的环境能源可用，既能充当主能源，又有充足的能量余留下来，以当主电源在一段时间内不可用时，给辅助存储库充电

环境能源包括光、热量差、振动波束、所发送的 RF 信号或者其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。以下表 2 说明了不同能源能够产生之能量的多少。

表 2：各种能源以及这些能源能够产生之能量的多少

能源

 

所产生的典型能量值

 

典型应用

 

小型太阳能电池板

 

数百 mW/cm2 (太阳光直射)

 

手持式电子设备

 

小型太阳能电池板

 

数百 µW/cm2 (太阳光间接照射)

 

手持式电子设备

 

席贝克器件 (将热能转换成电能)

 

数十 µW/cm2 (体热)

 

远端无线传感器

 

席贝克器件

 

数十 mW/cm2 (熔炉排气烟囱)

 

远端无线起动器

 

压电器件 (靠器件的压缩或挠曲产生能量)

 

数百 µW/cm2

 

手持式电子设备或远端无线起动器

 

来自天线的 RF 能量

 

数百 pW/cm2

 

远端无线传感器

 

在很多应用中，这样的功率值对系统部署都是有意义的。以下列举几个例子：

1) 飞机腐蚀传感器
2) 汽车调光窗
3) 桥梁监视器
4) 楼宇自动化
5) 电量计
6) 气体传感器
7) 健康监视器
8) HVAC 控制
9) 电灯开关
10) 远程管道监视器
11) 水表

非传统能源带来了很多机会，一个很好的例子是太阳能供电电子设备市场。随着企业寻找各种降低能耗的方法，这个市场持续增长。例如，考虑一下智能电表。智能电表部署在智能电网上，而且由环境能源给智能电表供电很有利，可以降低运营能源成本。一种可行和充足的能源是太阳能。然而，由于太阳能的功率可变而且不可靠，几乎所有太阳能供电设备都配备可再充电电池。因此，一个重要的目标是，抽取尽可能多的太阳能，以给这些电池快速充电，并保持其充电状态，当没有太阳能可用时，就可将这些电池作为能源使用。

毫微功率 IC 解决方案

显然，WSN 只有非常少的能量可用。这又意味着，系统中所用组件必须能够应对这么低的功率水平。尽管收发器和微控制器已经解决了这个问题，但是在电源转换方面，仍然存在空白。不过，专门为了满足这种需求，凌力尔特推出了 LTC3330，如图 1 所示。

图 1：LTC3330 能量收集器和电池寿命延长器

LTC3330 是一款完整的可调节能量收集解决方案，在可收集能量可用时，提供高达 125mA 的连续输出电流，以延长电池寿命。当用收集的能量向负载提供稳定功率时，该器件无需电池提供电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅吸取 750nA 电流。LTC3330 集成了一个高压能量收集电源，当用主电池供电时，还有一个同步降压-升压型 DC/DC 转换器，这样就可为能量收集应用提供一个不间断的输出，例如无线传感器网络中那些能量收集应用。

LTC3330 的能量收集电源由全波桥式整流器组成，包含 AC 或 DC 输入以及一个高效率同步降压型转换器，从压电 (AC)、太阳能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。主电池输入为一个同步降压-升压型转换器供电，该转换器的输入电压范围为 1.8V 至 5.5V，当没有收集能量可用时，无论输入高于、低于或等于输出，该转换器都可用来调节输出。当收集能源不再可用时，LTC3330 自动转换到电池。这就带来了一个附加的好处，即如果合适的能量收集电源至少在一半的时间内可用，就允许电池供电的 WSN 将工作寿命从 10 年延长至超过 20 年，而能量收集电源若更加普遍存在，可用时间甚至更长。这是非常有意义的，因为一块 Tadiran“C”电池的价格约为 16 美元。因此人工更换电池的成本非常高。或者，用户可以使用一块较小的 (寿命更短的) 电池，这样可以降低系统总体成本。

结论

尽管为了正常工作，便携式应用和能量收集系统有从数微瓦到高于 1W 的多种功率级，但是有很多电源转换 IC 可供系统设计师选择。不过，在功率范围的较低端，需要转换数纳安的电流，这里的选择就变得有限了。

幸运的是，LTC3330 能量收集器和电池寿命延长器具备极低的静态电流，适用于低功率应用。在便携式电子设备中，低于 1 微安的静态电流可延长保持有效电路的电池寿命，实现了如 WSN 等新一代能量收集应用。