真正擺脫電網(wǎng)的束縛：面向無(wú)線傳感器的堅(jiān)固型能量收集系統(tǒng)

無(wú)線傳感器擁有一個(gè)新興和規(guī)模巨大的潛在市場(chǎng)。在人們難以接近的地方、或者那些需要使用大量傳感器 (由于傳感器數(shù)目過(guò)于龐大而難以輕松實(shí)現(xiàn)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的硬連接) 的應(yīng)用中，無(wú)線傳感器均憑借其與眾不同的特性而成為合適之選。在大多數(shù)場(chǎng)合中，利用主要電池來(lái)運(yùn)行對(duì)于此類系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實(shí)的。例如：肉類裝運(yùn)過(guò)程中負(fù)責(zé)監(jiān)視其溫度的傳感器將必需采用一種防損害的方式來(lái)進(jìn)行安裝。又如：安裝于每種已調(diào)節(jié)空氣源上的 HVAC 傳感器將由于過(guò)于分散而可能使用電池。在這些應(yīng)用中，能量收集技術(shù)能夠在不采用主要電池的情況下解決供電問(wèn)題。

單靠能量收集常常無(wú)法產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)行傳感器-發(fā)送器所需的足夠功率——能量收集可產(chǎn)生約 1mW~10mW 的功率，而有源傳感器-發(fā)送器組合的功率需求則有可能達(dá)到 100mW~250mW。在可能的情況下必須將收集的能量存儲(chǔ)起來(lái)以隨時(shí)供傳感器/發(fā)送器使用，而傳感器/發(fā)送器的工作占空比一定不得超過(guò)系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)能力。同樣，傳感器/發(fā)送器有可能需要在未收集到能量的時(shí)候運(yùn)作。

最后，倘若存儲(chǔ)的能量耗盡而系統(tǒng)即將停機(jī)，則系統(tǒng)或許必需首先執(zhí)行內(nèi)務(wù)處理工作。這可能包括一條停機(jī)消息、或者將信息存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器中。因此，應(yīng)當(dāng)連續(xù)不斷地測(cè)量可用的能量，這一點(diǎn)很重要。

完整的能量收集系統(tǒng)
圖 1 示出了一款完整的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，此方案采用了一個(gè) LTC3588-1 能量收集器和降壓型穩(wěn)壓器 IC、兩個(gè) LTC4071 并聯(lián)電池充電器、兩個(gè)GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個(gè)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器 (被模擬為一個(gè)具 1% 占空比的 12.4mA 負(fù)載)。 LTC3588-1 包含一個(gè)具非常低泄漏的橋式整流器，其輸入位于 PZ1 和 PZ2，而輸出則位于 VIN 和 GND。VIN 同時(shí)還是具有非常低靜態(tài)電流的降壓型穩(wěn)壓器的輸入電源。降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓由 D1 和 D0 設(shè)定為 3.3V。

圖 1：基于壓電元件的完整能量收集系統(tǒng)不受電網(wǎng)的限制。該設(shè)計(jì)采用薄膜電池來(lái)積
聚壓電元件所收集的能量，并提供給一個(gè)以 1%占空比運(yùn)作的無(wú)線傳感器發(fā)送器。

LTC3588 由一個(gè) Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電式傳感器來(lái)驅(qū)動(dòng)，它能夠產(chǎn)生 12mW 的最大功率。在我們的實(shí)現(xiàn)方案中，PFCB-W14 提供了大約 2mW 的功率。

LTC4071 是一款具可編程浮置電壓和溫度補(bǔ)償功能的并聯(lián)電池充電器。浮置電壓設(shè)定為 4.1V，其容差為 ±1%，因而產(chǎn)生了一個(gè) 4.14V 的最大值 —— 安全地低于電池容許的最大浮置電壓。另外，LTC4071 還能通過(guò) NTC 信號(hào)檢測(cè)電池的溫度，并在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長(zhǎng)電池的工作壽命。

LTC4071 能夠在內(nèi)部提供 50mA 的并聯(lián)電流。然而，當(dāng)電池低于浮置電壓時(shí)，LTC4071 將僅從電池吸收約 600nA 的電流。

GM BATTERY GMB301009電池具有 8mAh 的容量和 10Ω 左右的內(nèi)部串聯(lián)電阻。

仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的建模采用了 Microchip PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)器模塊。該射頻芯片在發(fā)送和接收模式中的吸收電流分別為 23mA 和 18mA。此模型將之表示為一個(gè) 12.4mA、0.98% 占空比 (2ms/204ms) 負(fù)載，并利用一個(gè)自計(jì)時(shí)數(shù)字定時(shí)器和一個(gè)負(fù)責(zé) 267Ω 電阻器開關(guān)切換的 MOSFET 來(lái)設(shè)定。

操作模式
該系統(tǒng)具有兩種操作模式：充電-發(fā)送和放電-發(fā)送。在充電-發(fā)送模式中，電池被充電而傳感器-發(fā)送器提供一個(gè) 0.5% 占空比負(fù)載。在放電時(shí)，傳感器-發(fā)送器處于運(yùn)作狀態(tài)，但此時(shí)并沒有從 PFCB-W14 收集能量。

充電-發(fā)送 (Charging-Sending)
當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PFCB-W14 輸送的平均功率約為 9.2V × 180µA ≈ 1.7mW?？捎玫碾娏鞅仨殞?duì)電池進(jìn)行充電并負(fù)責(zé)運(yùn)作用于驅(qū)動(dòng)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的降壓型穩(wěn)壓器。運(yùn)行中的傳感器-發(fā)送器在大約 1% 的時(shí)間里吸取 12.4mA × 3.3V ≈ 41mW 的功率 (即 0.41mW 左右的平均功率)，因而留出了一些電流用于給電池充電。考慮到 LTC3588 降壓型穩(wěn)壓器的效率為 85%，當(dāng)平均 VIN 為 9.2V (見圖 2)、降壓型穩(wěn)壓器靜態(tài)電流為 8μA 時(shí)，在未對(duì)電池充電情況下系統(tǒng)所消耗的平均電流為：

圖 2：具傳感器-發(fā)送器負(fù)載時(shí)的充電

收集的能量能夠以 0.5% 的占空比驅(qū)動(dòng)傳感器-發(fā)送器，而留出約 120μA 的電流供電池充電之用。GMB301009 電池的容量為 8mAh，因此它們可在 75 小時(shí)左右的時(shí)間里充滿電。

放電-發(fā)送 (Discharging-Sending)
當(dāng) PFCB-W14 未輸送功率時(shí)，VIN 上的電壓下降至大約：

于是，反射負(fù)載電流計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流較高，這是因?yàn)樗仨毟宇l繁地開關(guān)以從 7.5V 與 9.2V 進(jìn)行調(diào)節(jié)。在 78µA 靜態(tài)電流條件下，如果沒有收集能量，則電池的放電時(shí)間大約為 115 小時(shí)。這表明電池的電荷存儲(chǔ)容量 >8.95mAh。這些電池在全新時(shí)所存儲(chǔ)的電荷可比額定值高出 12%。