適合能量收集的有效振動

　　背景

　　許多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在逐步轉(zhuǎn)而采用可替代能源作為主要或輔助的供電方式。理想的狀況是：此類收集的能量將完全免除增設(shè)有線電源或電池的需要。利用現(xiàn)成的物理電源 (例如：溫差裝置 [熱電發(fā)生器或熱電堆]、機(jī)械振動 [壓電或機(jī)電裝置] 和光 [光伏器件]) 來產(chǎn)生電力的換能器正在成為諸多應(yīng)用的適用電源。眾多的無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和其他低功率應(yīng)用正逐漸發(fā)展成為只使用收集能量和接近“零”功率 (常被有些人稱為“毫微功率”) 的設(shè)備。

　　雖然“能量收集”自 2000 年初就出現(xiàn)了 (當(dāng)時(shí)為其萌芽期)，但只是憑借近期的技術(shù)發(fā)展才將其推進(jìn)至商業(yè)化階段。簡而言之，2010 年我們處在一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)并將迎來其“成長”階段。運(yùn)用能量收集技術(shù)的樓宇自動化傳感器應(yīng)用已經(jīng)在歐洲得到推廣，這表明其增長階段也許已經(jīng)開始。

　　現(xiàn)有的應(yīng)用證實(shí)了能量收集的商業(yè)可行性

　　盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種真實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)一個系統(tǒng)卻很麻煩、復(fù)雜和昂貴。不過，有些市場已經(jīng)采用了能量收集方法，其中包括運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場便是樓宇自動化。就樓宇自動化而言，諸如人體感應(yīng)傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一種機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。

　　同樣，運(yùn)用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁淮苯ㄖ飪?nèi)任意數(shù)目的傳感器連接起來，以通過在建筑物內(nèi)無人的情況下切斷非必要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低于使用電源線路的成本，因此，選用收集電能技術(shù)顯然會有經(jīng)濟(jì)上的收益。

　　典型的能量采集系統(tǒng)或無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) (由圖 1 所示的 4 個主要的電路系統(tǒng)模塊來表示) 通常包括一種免費(fèi)能源，比如：連接在某個振動機(jī)械源 (如 HVAC 管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠?qū)⒑苄〉恼駝踊驊?yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。該電能隨后可由一個能量收集電路 (圖 1 中的第二個模塊) 進(jìn)行轉(zhuǎn)換并被變更為一種可用的形式，用于給下游電路供電。這些下游電子線路通常將包括某種類型的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個模塊)。上述元件可以獲取該收集能量 (如今以電流的形式存在) 并喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數(shù)或測量結(jié)果，然后使該數(shù)據(jù)可通過一個超低功率無線收發(fā)器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個模塊來表示) 進(jìn)行傳輸。

　　圖 1：典型能量采集系統(tǒng)的四個主要模塊

　　有幾種因素影響能量收集系統(tǒng)或 WSN 的功耗特性。表 1 概要羅列了這些因素。

　　表 1：影響無線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的因素

　　當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時(shí)間。因此，比較環(huán)境采集能量源的主要度量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常遇到的是低、易變和不可預(yù)知的可用功率等級，因而采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構(gòu)。能量收集器因其不受限制的能量供應(yīng)和功率方面的欠缺而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產(chǎn)生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，而在除此之外的其他情況下則定期從收集器接收電荷。

　　最先進(jìn)和現(xiàn)成可用的能量收集技術(shù) (例如：振動能量收集和室內(nèi)光生伏打技術(shù)) 在典型工作條件下能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。雖然這么低的功率可能看似很有限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位成本而言，這種技術(shù)大體上與長壽命的主電池相當(dāng)。除此之外，運(yùn)用能量收集的系統(tǒng)一般能在電能耗盡之后重新充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。

　　正如已經(jīng)討論的那樣，環(huán)境能量源包括光、熱差、振動波束、發(fā)射的 RF 信號，或者幾乎任何其他可通過換能器產(chǎn)生電荷的能量源。下面的表 2 列出了從不同的能量源可產(chǎn)生多少能量。

　　表 2：能量源及其所能產(chǎn)生的能量值

　　能量源 所產(chǎn)生的典型能量級別 典型應(yīng)用

　　小型太陽能電池板 幾百 mW/cm2 (直射陽光) 手持式電子設(shè)備

　　小型太陽能電池板 幾百 µW/cm2 (非直射陽光) 遠(yuǎn)程無線傳感器

　　塞貝克 (Seebeck) 器件

　　(用于將熱能轉(zhuǎn)換為電能) 幾十 µW/cm2 (體熱) 遠(yuǎn)程無線傳感器

　　塞貝克器件 (續(xù)) 幾十 mW/cm2 (高爐排氣煙囪) 遠(yuǎn)程無線執(zhí)行器

　　壓電器件 (通過器件的擠壓或撓曲來產(chǎn)生能量) 幾百 µW/cm2 手持式電子設(shè)備或遠(yuǎn)程無線執(zhí)行器

　　來自天線的射頻 (RF) 能量 幾百 pW/cm2 遠(yuǎn)程無線傳感器

　　要成功設(shè)計(jì)一款完全獨(dú)立的無線傳感器系統(tǒng)，需要穩(wěn)定供貨的節(jié)電型微控制器和換能器，并要求這些器件最低限度地消耗來自低能量環(huán)境的電能。圖 1 中，每個電路系統(tǒng)模塊 (能量源本身或許是個例外) 都特有一組迄今為止有損于其商業(yè)可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有幾年的時(shí)間;然而，超低功率收發(fā)器只是最近才剛剛提供商用產(chǎn)品。不過，該鏈路中處于落后狀態(tài)的則一直是能量收集器。

　　現(xiàn)有的能量收集器模塊實(shí)現(xiàn)方案往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括 30 個或更多的組件。此類設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流高。這兩個不足之處均導(dǎo)致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對能量收集源的輸出能達(dá)到的最低值有所限制，因?yàn)樗仨毷紫忍峁┳约汗ぷ魉璧碾娏?，多出來的功率才能提供給輸出。

　　新型壓電能量收集器

　　迄今為止，業(yè)界所缺少的一直是能收集和管理來自振動源或應(yīng)變源的壓電能量、并具有低損耗全波橋式整流器的高集成度、高效率 DC/DC 降壓型轉(zhuǎn)換器。不過，凌力爾特推出的新型 LTC3588-1 壓電能量收集電源極大地簡化了從此類能源收集剩余能量的工作。

　　LTC3588-1 是一款完整的能量收集解決方案，專為包括壓電式換能器在內(nèi)的低能量源而優(yōu)化。壓電器件通過器件的擠壓或撓曲產(chǎn)生能量。視其尺寸和構(gòu)造的不同，這些壓電元件能產(chǎn)生幾百 μW/cm2 的功率。

　　圖 2：LTC3588 的典型應(yīng)用原理圖

　　應(yīng)該指出的是：壓電效應(yīng)是可逆的，即呈現(xiàn)直接壓電效應(yīng) (一加上壓力就產(chǎn)生電位) 的材料也呈現(xiàn)反向壓電效應(yīng) (一加上電壓就產(chǎn)生壓力和 / 或應(yīng)力，即撓曲)。

　　LTC3588-1 在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，從而非常適用于多種壓電傳感器及其他的高輸出阻抗能量源。其高效率降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可提供高達(dá) 100mA 的連續(xù)輸出電流或者甚至更高的脈沖負(fù)載。其輸出可以設(shè)定為 4 種固定電壓之一 (1.8V、2.5V、3.3V 或 3.6V)，以向無線發(fā)送器或傳感器供電。輸出處于穩(wěn)定狀態(tài) (無負(fù)載) 時(shí)，靜態(tài)電流僅為 950nA，從而最大限度地提高了總體效率。

　　LTC3588-1 專為直接與壓電或可替代高阻抗 AC 電源連接、給電壓波形整流以及在外部存儲電容器中存儲收集到的能量而設(shè)計(jì)，同時(shí)通過一個內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器消耗過多的功率。具 1V ~ 1.4V 遲滯窗口的超低靜態(tài)電流 (450nA) 欠壓閉鎖 (UVLO) 模式使電荷能在存儲電容器上積累，直到降壓型轉(zhuǎn)換器能高效率地將部分存儲的電荷傳送至輸出為止。

　　結(jié)論

　　由于擁有模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長的人員在全球都處于短缺的局面，因此要想設(shè)計(jì)出如圖 1 所示的高效能量收集系統(tǒng)一直是很困難的事。不過，隨著具有集成型低損耗全波橋式整流器的壓電能量收集電源LTC3588-1的推出，這種狀況即將發(fā)生改變。這款革命性的器件能夠從幾乎所有的機(jī)械振動源或應(yīng)變源提取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設(shè)計(jì)的簡易性，該器件還極大地簡化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師而言這是個好消息，因?yàn)榇祟?ldquo;有效振動”可用于為其能量收集系統(tǒng)供電，而無須去應(yīng)付傳統(tǒng)的配置難題。