能量收集器可從局部環境產生功率,從而免除無線傳感器中的電池

引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201808/386082.htm

超低功率微控制器的近期發展造就了具有空前集成度的器件 (對於其運作所需的功率而言)。這些器件是片上系統，採用了新銳節能方案 (例如關斷空閒功能電路的供電)。事實上，運行這些器件所需的功率非常之低，以至於許多傳感器逐步實現了無線化，因為它們可以方便地通過電池來供電。不幸的是，電池必須定期更換，這種維護工作既費錢又費事。而從傳感器的局部環境中採集環境機械能、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化。它內置了一個低損耗全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器，用於將能量從一個輸入存儲器件傳輸至輸出，以產生一個可支持高達 100mA 負載的穩定電壓。LTC3588-1 採用 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化的完整能量收集解決方案

環境能量源

環境能量源包括光、溫差、振動梁、射頻 (RF) 發射信號或任何其他能夠通過某種換能器產生電荷的信號源。例如：

· 人們採用小型太陽能電池板為手持式電子設備供電已有多年，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生幾百 mW/cm² 和幾百 μW/cm² 的功率密度。

· 當存在溫度梯度時，塞貝克 (Seebeck) 器件可將熱能轉換為電能。熱能量源多種多樣，從體熱 (可產生幾十 μW/cm² 的功率密度) 到鍋爐排氣煙囪 (其表面溫度能產生幾十 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生能量。壓電組件能夠產生幾百μW/cm² 的功率密度 (取決於其尺寸和結構)。

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

要成功地設計完整的獨立型無線傳感器系統，就需採用節能型微控制器和傳感器，它們消耗極少電能，並可從低能量環境獲取能量。目前，這兩類器件在市面上都很容易獲得，而所缺失的一環則是能夠將傳感器輸出轉換為一個可用電壓的高效功率轉換產品。

圖 2 示出了一款能量收集電源系統，它包括能量源 / 傳感器、一個能量儲存組件和一種用於將該儲能轉換為一個可用穩定電壓的設備。另外，在換能器和能量儲存組件之間或許還需要布設一個電壓整流器網絡，用於防止能量回饋至傳感器中，或在採用壓電器件的情況下負責對 AC 信號進行整流。

圖 2：能量收集系統組件

應用實例

對於在 D0 和 D1 輸入引腳上設定的特殊輸出電壓，LTC3588-1 要求傳感器的輸出電壓高於欠壓閉鎖上升門限限值。為了實現能量傳輸的最大化，換能器必須具有一個兩倍於輸入工作電壓的開路電壓、以及一個兩倍於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電平條件下滿足，以實現連續輸出功率。

壓電傳感器應用

圖 3 示出了一個壓電系統。當被置於氣流之中時，該系統可在 3.3V 電壓條件下產生 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 傳感器應用

圖 4 示出了一個能量收集系統，該系統採用了由 Tellurex 公司提供的 Seebeck 傳感器。溫差產生了一個可支持 300mW 輸出負載的輸出電壓。把傳感器連接至 PZ1 輸入可防止反向電流在熱源被拿掉時回流至 Seebeck 器件中。100Ω 電阻器負責提供電流限制，以保護 LTC3588-1 輸入橋接器。

圖 4：Seebeck 能量收集器

由標準螢光燈產生的 EM 場收集能量

此項應用需要一些有別於傳統的創造性思維。圖 5 示出了一個從高電壓螢光燈管周圍的電場收集能量的系統。兩塊 12」 x 24」 銅板被放置在距離一個 2』 x 4』 螢光燈具 6」 的地方。銅板以容性的方式從周圍的電場採集了 200μW 的功率，而 LTC3588-1 則負責將該功率轉換為一個穩壓輸出。

圖 5：電場能量收集器

結論

LTC3588-1 通過從周圍環境收集環境能量而使遠程傳感器能夠不依靠電池來運作。該器件包含了所有關鍵的電源管理功能：一個低損耗橋式整流器、一個高效率降壓型穩壓器、一個負責接通和關斷降壓型轉換器的低偏置 UVLO 檢測器、以及一個用於在電源可用時喚醒微控制器的 PGOOD 狀態信號。LTC3588-1 僅利用 5 個外部組件即可支持高達 100mA 的負載。