能量收集意味著什么?

摘要：WSN 等新一代能量收集應用往往需要轉換數納安的電流，這里的選擇就變得有限了。LTC3330 能量收集器和電池壽命延長器具備極低的靜態電流，適用于低功率應用。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/235415.htm

關鍵詞：能量收集；WSN；納安

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.3.002

能量收集系統的終端往往是毫微功率轉換的需求。大多數情況下，會采用環境能源作為主電源，而用主電池補充環境能源，如果環境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

能量收集 WSN

我們周圍有豐富的環境能源，傳統的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風力發電機。不過，新的收集工具允許我們利用多種環境能源產生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而是“平均收集到”可用來給電路供電的能量之多少。例如，熱電發生器將熱 （或冷） 轉換成電，壓電組件轉換機械振動，光伏組件轉換太陽光 （或任何光源），通過化學作用產生電流的組件轉換潮氣為能量。這使得有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發送器供電，而無需本地電源。

一般而言，在非傳統能源市場使用的 IC 必須具備的性能特點如下：

很小的備用靜態電流：一般情況下低于6μA，最低可低至450nA。

很低的啟動電壓：低至 20mV。

很強的輸入電壓能力：高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態電壓。

能夠處理 AC 輸入。

多輸出能力和自主的系統電源管理。

自動極性工作。

面向太陽能輸入的最大功率點控制 （MPPC）。

能夠從低至1℃的溫度變化中收集能量。

外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案。

WSN（無線傳感網）基本上是自含式系統，由某種換能器組成，以將環境能源轉換成電信號，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉換器和管理器，以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發器組成。

在嘗試實現 WSN 時，一個需要考慮的問題是：需要多少功率才能使該 WSN 運行？ 理論上，這個問題似乎相當簡單；然而，現實情況是，由于一些因素使這問題有點難以回答。例如，獲取讀數的頻度有多高？或者，更重要的是，數據包會有多大？數據需要傳送多遠？這是因為，就獲取一次傳感器讀數而言，收發器大約消耗系統所用能量的 50%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統的功耗特性。參見表 1。

當然，能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長時間。因此，比較能量收集能源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。收集能量時一般會遇到很小、可變和不可預測的可用功率，因此常常采用混合結構，即連接收集器和輔助電力儲存庫的結構。收集器由于能量供應無限 （但功率不足） 而成為系統的能源。輔助電力儲存庫 （或者是電池或者是電容器） 能產生更高的輸出功率，但是存儲的能量較少，從而在需要時供電，否則定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有環境能源可供收集能量的情況下，必須用輔助電力儲存庫給WSN 供電。當然，從系統設計師的角度看，這進一步增大了復雜程度，因為他們必須考慮，輔助電力儲存庫必須存儲多少能量才能補償環境能源的不足。而僅是需要儲存多少能量這個問題，就取決于幾種因素，包括：

在多長時間內沒有環境能源可用；

WSN 的占空比 （即必須讀取和傳輸數據的頻度）；

輔助存儲庫 （電容器、超級電容器或電池） 的大小和類型；

是否有足夠的環境能源可用，既能充當主能源，又有充足的能量余留下來，以當主電源在一段時間內不可用時，給輔助存儲庫充電。

環境能源包括光、熱量差、振動波束、所發送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產生電荷的能源。表 2 說明了不同能源能夠產生之能量的多少。

在很多應用中，這樣的功率值對系統部署都是有意義的。例如，汽車調光窗、橋梁監視器、樓宇自動化、電量計、氣體傳感器、健康監視器、HVAC 控制、電燈開關、遠程管道監視器、水表。

毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 只有非常少的能量可用。這又意味著，系統中所用組件必須能夠應對這么低的功率水平。盡管收發器和微控制器已經解決了這個問題，但是在電源轉換方面，仍然存在空白。不過，專門為了滿足這種需求，凌力爾特推出了 LTC3330。

LTC3330 是一款完整的可調節能量收集解決方案，在可收集能量可用時，提供高達 125mA 的連續輸出電流，以延長電池壽命。當用收集的能量向負載提供穩定功率時，該器件無需電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅吸取 750nA 電流。LTC3330 集成了一個高壓能量收集電源，當用主電池供電時，還有一個同步降壓-升壓型DC/DC 轉換器，這樣就可為能量收集應用提供一個不間斷的輸出，例如無線傳感器網絡中那些能量收集應用。