利用環境產生電能 創造無電池無線傳感器

摘要：本文介紹了基于最新半導體器件提供極低的靜態電流和一種高效率能量收集解決方案，使分布式傳感器網絡更易于部署。傳感器現在可以用在遠程地點，而無需擔憂電池壽命。

關鍵詞：能量收集器；無線傳感器；電能收集；Linear

低功率技術領域的進步使得在多種應用中建立無線傳感器網絡變得更加容易，如遠端取樣、HVAC監視、資產跟蹤和工業自動化應用。問題是，甚至無線傳感器也需要定期更換的電池、而這是一項昂貴和復雜的維護任務。一種較好的無線電源解決方案是從傳感器所在環境收集機械、熱或電磁能。

一般情況下，可收集的環境能量在數十mW，因此能量收集需要仔細的功率管理，以成功獲取數mW的環境能量，并將其存儲在一個可使用的能量庫中。一種常見的環境能源是機械振動能，這種能量由工廠中運行的發動機、風扇葉片上的氣流、甚至行駛的車輛產生。壓電換能器可用來將這種振動能轉換成電能，電能再用來給電路供電。

為了管理能量收集和能量向系統的釋放，LTC3588-1壓電能量收集電源(圖1)集成了一個低損耗內部橋式整流器和一個同步降壓型DC／DC轉換器。該裝置運用一種高效的能量收集算法以收集和存儲來自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十μA的短路電流。

能量收集系統常常必須支持比壓電器件能產生的電流高得多的峰值負載電流，因此LTC3588-1能夠積累能量，然后再以短的能量突發向負載釋放能量。當然，就連續運行而言，這類突發能量必須以低占空比提供，以便在突發期間總的輸出能量不超過在能量積累周期中所累積的平均電源能量。—個以固定時間間隔進行測量、并在兩次測量之間發送數據并斷電的傳感器系統是能量收集解決方案的首選。

能量收集的關鍵是低靜態電流

能量收集過程依賴低靜態電流能量積累階段。LTC3588-1通過欠壓閉鎖(UVLO)模式來實現，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到1mA的靜態電流。UVLO模式允許在一個輸入電容器上積累電荷，直到內部降壓型轉換器能夠高效率地將部分存儲的電荷傳送到輸出為止。

圖2顯示了UVLO靜態電流曲線，該曲線是隨V_IN單調變化的，因此一個低至700hA的電流源就可以將輸入電容器充電至UVLO的上升門限，從而產生一個穩定的輸出。一旦達到穩定，LTC3588-1就進入休眠狀態，在這狀態下，輸入和輸出靜態電流都是最小的。例如，在V_IN=4.5V，輸出穩定時，靜態電流僅為950nA。然后降壓型轉換器按照需要接通和斷開，以保持穩定。在休眠模式和LTVLO模式，低靜態電流都允許在輸入電容器庫中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

當VV_IN達到UVLO上升門限時，集成的高效率同步降壓型轉換器接通，并開始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩壓器運用一種遲滯電壓算法，通過來自V_OUT檢測引腳的內部反饋控制輸出。通過一個內部PMOS開關使電感器電流斜坡上升至高達250mA，然后再通過一個內部NMOS開關使該電流斜坡下降至零，憑借這一過程，該降壓型穩壓器通過一個電感器將輸出電容器充電至略高于穩定點的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

如果在輸出電壓達到穩定之前，輸入電壓下降至低于UVLO下降門限，那么降壓型轉換器關閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于UVLO上升門限為止。這期間，VOUT檢測引腳上的泄漏不高于90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩壓器切換時所達到的值。圖3顯示一個由2μA電流源充電的LTC3588-1典型啟動波形。

當同步降壓型穩壓器使輸出電壓進入穩定時，該轉換器進入低靜態電流休眠狀態，該狀態用休眠比較器監視輸出電壓。在這種運行模式時，負載電流由降壓型轉換器的輸出電容器提供。當輸出電壓下降至低于穩定點時，該降壓型穩壓器醒來，重復上述周期。這種提供穩定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與FET切換有關的損耗，并使在非常輕的負載時進行高效率調節成為可能。

該降壓型轉換器正在切換時，提供高達100mA的平均負載電流。1.8V、2.5V、3.3V和3.6V這4個輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無線發送器供電。圖4顯示在穩定和休眠時極低的靜態電流，這允許在輕負載時高效率運行。盡管切換時降壓型穩壓器的靜態電流遠高于休眠靜態電流，但是它在負載電流中所占百分數仍然很小，從而在多種負載條件下實現了高效率(圖5)。

降壓型轉換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時才工作，它以短突發將能量傳送到輸出，短突發所用時間遠短于積累能量所需的時間。當降壓型轉換器工作時的靜態電流在整個積累／突發周期中平均時，平均靜態電流非常低，從而非常容易提供收集少量環境能量的電源。穩定狀態時極低的靜態電流允許LTC3588-1在負載不到100μA時實現高效率。

獲得振動能量

壓電元件能夠將機械能(通常是振動能)轉換為電能。壓電元件可以由PZT(鋯鈦酸鉛)陶瓷、PVDF(聚偏氟乙烯)或其他復合材料制作而成。當陶瓷的晶體結構被壓縮時，陶瓷壓電元件呈現出一種壓電效應，內部偶極運動將產生一個電壓。當分子相互排斥而發生彎曲時，由長鏈分子構成的聚合物元件將產生一個電壓。陶瓷常常在直接壓力之下使用，而聚合物則更容易彎曲。

可用的壓電器件有很多種，這些器件產生各種開路電壓和短路電流。開路電壓和短路電流形成一條壓電器件的“負載線”，這條線隨著可用振動能量的增加而上升，如圖6所示。LTC3588-1可以處理高達20V的輸入電壓，此時，一種保護性并聯電路保護該器件免受VIN上過壓情況的損害。如果充足的環境振動導致壓電器件產生比LTC3588-1所需更多的能量，并聯電路會消耗多余的能量，從而將壓電器件有效地箝位在其負載線上。

LTC3588-1通過內部低損耗橋式整流器與壓電器件連接，橋式整流器可通過PZ1和PZ2引腳連接。整流后的輸出存儲在VIN電容器中。在10uA的典型壓電電流時，與橋式整流器有關的壓降在400mV量級。橋式整流器在125℃時反向泄漏電流不到InA，帶寬高于1MHz，能攜帶50mA電流，因此適合其他多種輸入電源。

可以確定環境振動的特征，以選擇具有最佳特性的壓電器件。振動頻率和振動力以及使用LTC3588-1輸出電容器庫的時間間隔和每次突發所需能量有助于決定最佳壓電器件。可以以這種方式設計系統，以便系統按照可用能量允許的頻度執行任務。有些情況只要能收集能量，不管多少都行，這時沒有必要優化壓電器件。

可以選擇的能量儲存方法

收集的能量可以儲存在輸入電容器或輸出電容器上。寬輸入范圍利用了以下事實的好處：儲存在電容器上的能量與電容器電壓的平方成正比。輸出電壓穩定后，任何多余的能量都儲存在輸入電容器上，輸入電容器的電壓也會上升。當輸出端有負載時，降壓型穩壓器能夠高效率地將以高壓形式儲存的能量傳送給穩定的輸出。盡管輸入端的能量儲存利用了輸入端的高壓，但是負載電流被限定為降壓型穩壓器能夠提供的100mA。如果需要為較大的瞬態負載提供服務，那么可以改變輸出電容器的大小，以在瞬態期間支持較大的電流。

PGOOD輸出有助于進行電源管理。輸出第一次達到穩定時。PGOOD變高(相對于VOUT)，并保持高電平，直到輸出降至穩定點的92％為止。PGOOD可以用來觸發一個系統負載。例如，PGOOD變高時，電流突發可以開始，并持續消耗輸出電容器電量，直到PGOOD變低為止。在有些情況下，利用最后焦耳是很重要，而且如果輸出仍然在穩定點的92％之內，那么PGOOD引腳將保持高電平，即使輸入降至低于較低的UVLO門限(就像如果振動停止可能發生的那樣)也一樣。

LTC3588－1延長電池壽命

能量收集系統不但能消除對電池的需求，還能對電池解決方案起到補充作用。能量收集系統可以配置為。當環境能量可用時，就卸載電池，但是在環境電源消失時，就啟用電池，將電池作為備份電源使用。這種方法不僅改善了可靠性，還能產生一個響應更快的系統。例如：布設于運輸設備(比如牽引拖車)上的一個能量收集傳感器節點可以在拖車的行駛途中收集能量。當貨車停泊且無振動時，一個后備電池仍將提供運輸設備查詢所需的能量。

圖8中的電池備份電路顯示一個9V電池和一個串聯連接到VIN的隔離二極管。壓電器件通過內部橋式整流器給VIN充電，而隔離二極管防止反向電流流入電池。圖中所示是一個9V電池，只要電池組電壓不超過18V就行。這是可以通過一個外部低阻抗電源加給VIN的最高電壓。當設計一個電池備份系統時，應該選擇壓電換能器和電池。以使峰值壓電電壓超過電池電壓。這允許壓審器件“接管”并為LTC3588-1供電。

大量可替換使用的能源解決方案

除了可從壓電器件獲得的環境振動能，LTC3588－1還可以收集其他來源的能量。集成的橋式整流器允許很多AC電源為LTC3588－1供電。圖9所示的熒光燈能量收集器以容性方式收集AC供電的熒光燈管輻射的交替變化電場能量。銅板可以放置在位于燈架上的燈管的上方，以利用燈管產生的電場能量，并將該能量饋送給LTC3588-1和集成的橋式整流器。這樣一個收集器可以在建筑物各處使用，為HVAC傳感器節點供電。

LTC3S88-1另一個有用的應用是，用具有限流電阻器的AC線電壓給該Ic供電，如圖10所示。這為簡單的插件應用提供了一種低成本、無變壓器的解決方案。設計直接連接到線電壓的電路時，應該遵循一些正確的UL指導原則。

用來給LTC3588-1供電的不僅限于AC電源，太陽能電池板、熱電耦等DC電源也可以使用，如圖11所示。這類電源可以連接到PZ1／PZ2輸入之一，以利用電橋提供的反向電流保護功能。它們還可以用外部二極管“或”連到一起后，與VIN引腳相連。這為使用針對不同方向的多個太陽能電池板提供了方便，針對不同方向是為了在一天的不同時間獲取太陽光照。

多個輸出軌分享一個壓電電源

很多系統需要多個電源軌為不同的組件供電。微處理器可能使用1.8V，可是無線發送器可能需要3.6V。兩個LTC3588-1器件可以連接到一個壓電器件上，并同時為每個輸出供電，如圖12所示。這種配置具有自動電源排序功能，具有較低電壓輸出(即較低UVLO上升門限)的LTC3588-1先開始工作。隨著壓電器件提供輸入功率，兩個VIN軌最初同時開始工作，但是當一個輸出開始消耗功率時，僅與其對應的VIN下降，因為每個LTC3588-1的橋提供隔離。然后，輸入壓電能轉至這個較低電壓的電容器，直到兩個VIN軌再次相等為止。這種配置可擴展至多個由單個壓電器件供電的LTC3588器件，只要壓電器件能夠支持所有LTC3588-1合起來的總靜態電流就行。