能量收集器可從局部環(huán)境產(chǎn)生功率，從而免除無線傳感器中的電池

引言

超低功率微控制器的近期發(fā)展造就了具有空前集成度的器件 (對于其運(yùn)作所需的功率而言)。這些器件是片上系統(tǒng)，采用了新銳節(jié)能方案 (例如關(guān)斷空閑功能電路的供電)。事實(shí)上，運(yùn)行這些器件所需的功率非常之低，以至于許多傳感器逐步實(shí)現(xiàn)了無線化，因?yàn)樗鼈兛梢苑奖愕赝ㄟ^電池來供電。不幸的是，電池必須定期更換，這種維護(hù)工作既費(fèi)錢又費(fèi)事。而從傳感器的局部環(huán)境中采集環(huán)境機(jī)械能、熱能或電磁能則有可能是一種更為有效的無線電源解決方案。

圖 1 所示的 LTC3588-1 是一款完整的能量收集解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化。它內(nèi)置了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，用于將能量從一個(gè)輸入存儲(chǔ)器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個(gè)可支持高達(dá) 100mA 負(fù)載的穩(wěn)定電壓。LTC3588-1 采用 10 引腳 MSE 封裝和 3mm x 3mm DFN 封裝。

圖 1：專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化的完整能量收集解決方案

環(huán)境能量源

環(huán)境能量源包括光、溫差、振動(dòng)梁、射頻 (RF) 發(fā)射信號或任何其他能夠通過某種換能器產(chǎn)生電荷的信號源。例如：

· 人們采用小型太陽能電池板為手持式電子設(shè)備供電已有多年，此類電池板在陽光直射和間接光照射的情況下能夠分別產(chǎn)生幾百 mW/cm² 和幾百 μW/cm² 的功率密度。

· 當(dāng)存在溫度梯度時(shí)，塞貝克 (Seebeck) 器件可將熱能轉(zhuǎn)換為電能。熱能量源多種多樣，從體熱 (可產(chǎn)生幾十 μW/cm² 的功率密度) 到鍋爐排氣煙囪 (其表面溫度能產(chǎn)生幾十 mW/cm² 的功率密度) 各不相同。

· 壓電器件可通過器件的壓縮或彎曲而產(chǎn)生能量。壓電組件能夠產(chǎn)生幾百μW/cm² 的功率密度 (取決于其尺寸和結(jié)構(gòu))。

· 射頻 (RF) 能量收集由天線來完成，可產(chǎn)生幾百 pW/cm² 的功率密度。

要成功地設(shè)計(jì)完整的獨(dú)立型無線傳感器系統(tǒng)，就需采用節(jié)能型微控制器和傳感器，它們消耗極少電能，并可從低能量環(huán)境獲取能量。目前，這兩類器件在市面上都很容易獲得，而所缺失的一環(huán)則是能夠?qū)鞲衅鬏敵鲛D(zhuǎn)換為一個(gè)可用電壓的高效功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

圖 2 示出了一款能量收集電源系統(tǒng)，它包括能量源 / 傳感器、一個(gè)能量儲(chǔ)存組件和一種用于將該儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用穩(wěn)定電壓的設(shè)備。另外，在換能器和能量儲(chǔ)存組件之間或許還需要布設(shè)一個(gè)電壓整流器網(wǎng)絡(luò)，用于防止能量回饋至傳感器中，或在采用壓電器件的情況下負(fù)責(zé)對 AC 信號進(jìn)行整流。

圖 2：能量收集系統(tǒng)組件

應(yīng)用實(shí)例

對于在 D0 和 D1 輸入引腳上設(shè)定的特殊輸出電壓，LTC3588-1 要求傳感器的輸出電壓高于欠壓閉鎖上升門限限值。為了實(shí)現(xiàn)能量傳輸?shù)淖畲蠡瑩Q能器必須具有一個(gè)兩倍于輸入工作電壓的開路電壓、以及一個(gè)兩倍于所需輸入電流的短路電流。這些要求必須在信號源的最小激勵(lì)電平條件下滿足，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)輸出功率。

壓電傳感器應(yīng)用

圖 3 示出了一個(gè)壓電系統(tǒng)。當(dāng)被置于氣流之中時(shí)，該系統(tǒng)可在 3.3V 電壓條件下產(chǎn)生 100μW 的功率。在 50Hz 頻率下，壓電組件的彎曲量為 0.5cm。

圖 3：壓電式能量收集器

Seebeck 傳感器應(yīng)用

圖 4 示出了一個(gè)能量收集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了由 Tellurex 公司提供的 Seebeck 傳感器。溫差產(chǎn)生了一個(gè)可支持 300mW 輸出負(fù)載的輸出電壓。把傳感器連接至 PZ1 輸入可防止反向電流在熱源被拿掉時(shí)回流至 Seebeck 器件中。100Ω 電阻器負(fù)責(zé)提供電流限制，以保護(hù) LTC3588-1 輸入橋接器。

圖 4：Seebeck 能量收集器

由標(biāo)準(zhǔn)熒光燈產(chǎn)生的 EM 場收集能量

此項(xiàng)應(yīng)用需要一些有別于傳統(tǒng)的創(chuàng)造性思維。圖 5 示出了一個(gè)從高電壓熒光燈管周圍的電場收集能量的系統(tǒng)。兩塊 12” x 24” 銅板被放置在距離一個(gè) 2’ x 4’ 熒光燈具 6” 的地方。銅板以容性的方式從周圍的電場采集了 200μW 的功率，而 LTC3588-1 則負(fù)責(zé)將該功率轉(zhuǎn)換為一個(gè)穩(wěn)壓輸出。

圖 5：電場能量收集器

結(jié)論

LTC3588-1 通過從周圍環(huán)境收集環(huán)境能量而使遠(yuǎn)程傳感器能夠不依靠電池來運(yùn)作。該器件包含了所有關(guān)鍵的電源管理功能：一個(gè)低損耗橋式整流器、一個(gè)高效率降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè)負(fù)責(zé)接通和關(guān)斷降壓型轉(zhuǎn)換器的低偏置 UVLO 檢測器、以及一個(gè)用于在電源可用時(shí)喚醒微控制器的 PGOOD 狀態(tài)信號。LTC3588-1 僅利用 5 個(gè)外部組件即可支持高達(dá) 100mA 的負(fù)載。