一種無線傳感器的能量收集的實(shí)現(xiàn)

測量和控制所需的超低功率無線傳感器節(jié)點(diǎn)的激增，再加上新型能量收集技術(shù)的運(yùn)用，使得由局部環(huán)境能量而非電池供電的全自主型系統(tǒng)成為可能。

　　能量收集無線傳感器系統(tǒng)簡化了眾多領(lǐng)域中的安裝和維護(hù)工作。

　　能量收集的好處是顯而易見的，不過，有效的能量收集系統(tǒng)需要使用智能型的電源管理方案，以把微弱的免費(fèi)能量轉(zhuǎn)換為一種無線傳感器系統(tǒng)可以使用的形式。

　　1 歸根到底是占空比的問題

　　許多無線傳感器系統(tǒng)的平均功率消耗非常之低，從而使其成為可利用能量收集技術(shù)進(jìn)行供電的主要候選對象。很多傳感器節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)視緩慢變化的物理量。所以可以不經(jīng)常進(jìn)行測量，也不需要經(jīng)常發(fā)送測量數(shù)據(jù)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)是以非常低的占空比工作的。相應(yīng)地，平均功率需求也很低。

　　例如：若一個(gè)傳感器系統(tǒng)處于喚醒狀態(tài)時(shí)的需要3.3V/30mA(100mW)的功率，但在每秒時(shí)間里只運(yùn)行10ms，那么其所需的平均功率僅為1mW，假定在傳送突發(fā)的間隔期間不工作時(shí)，傳感器系統(tǒng)電流降至數(shù)μA。倘若這個(gè)無線傳感器只是每分鐘(而不是每秒鐘)進(jìn)行一次采樣和傳送，則平均功率將驟降至20μW以下。由于大多數(shù)形式的能量收集均提供非常小的穩(wěn)態(tài)功率(通常只有幾mW，有時(shí)甚至僅幾μW)，因此這種功率需求量的差異是很重要的。應(yīng)用所需的平均功率越低，就越有可能采用收集能量來供電。

　　2　能量收集源

　　可供收集的最常見能量源是振動(或運(yùn)動)、光和熱。用于所有這些能量源的換能器都具有以下的共同特性：

　　a 它們的電輸出未經(jīng)穩(wěn)壓且不適合直接用于給電子電路供電

　　b 它們可能無法提供一個(gè)連續(xù)和不間斷的電源

　　c 它們往往只產(chǎn)生非常低的平均輸出功率(通常在10μW至10mW)

　　如果想把此類能量源用于給無線傳感器或其他電子線路供電，就必需針對上述特性進(jìn)行明智而審慎的電源管理。

　　3 電源管理：迄今為止在能量收集中仍然缺失的一環(huán)

　　由收集能量供電的典型無線傳感器系統(tǒng)可分解為5個(gè)基本構(gòu)件，如圖1所示。除了電源管理構(gòu)件之外，所有這些構(gòu)件成都已經(jīng)用了有一段時(shí)間。比如：運(yùn)行功率僅數(shù)μW的微處理器以及功耗同樣非常之低、具成本效益的小型射頻(RF)發(fā)送器和收發(fā)器已被廣泛使用。低功率的模擬和數(shù)字傳感器也是無處不在。

　　在實(shí)現(xiàn)這種能量收集系統(tǒng)鏈路時(shí)，缺失的一環(huán)始終是可以靠一個(gè)或多個(gè)常見免費(fèi)能源工作的功率轉(zhuǎn)換器/電源管理構(gòu)件。能量收集的理想電源管理解決方案應(yīng)具有小巧和易用的特點(diǎn)，在依靠由常見的能量收集源產(chǎn)生的異常高或低電壓工作時(shí)良好地運(yùn)行，并在理想的情況下提供與源阻抗的上佳負(fù)載匹配以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的功率傳輸。電源管理器本身在管理累積能量時(shí)所需消耗的電流必須非常小，且應(yīng)在使用極少分立組件的情況下產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。

　　采用3mmx4mmx0.75mm12引腳DFN封裝或16引腳SSOP封裝的LTC3108解決了超低輸入電壓應(yīng)用的能量收集問題。該器件提供了一款緊湊、簡單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至20mV的情況下正常運(yùn)作。憑借這種獨(dú)特的能力，LTC3108可利用一個(gè)熱電發(fā)生器(TEG)來為無線傳感器供電，并從小至1°C的溫度差(ΔT)收集能量。采用一個(gè)現(xiàn)成有售的小型(6mmx6mm)升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當(dāng)今的無線傳感器電子線路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。

　　LTC3108采用一個(gè)小的升壓型變壓器和一個(gè)內(nèi)部MOSFET形成一個(gè)諧振振蕩器，可依靠非常低的輸入電壓來工作。變壓器的升壓比為1:100時(shí)，該轉(zhuǎn)換器能以低至20mV的輸入電壓啟動。變壓器的副端繞組向充電泵和整流器電路饋送電壓，此電壓隨后用于給該IC供電(通過VAUX引腳)，并給輸出電容器充電。2.2VLDO的輸出設(shè)計(jì)成首先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，以盡快給一個(gè)低功率微處理器供電。然后，將主輸出電容器充電至由VS1和VS2引腳設(shè)置的電壓(2.35V、3.3V、4.1V或5.0V)，用于給傳感器、模擬電路、RF收發(fā)器供電，甚至給超級電容器或電池充電。當(dāng)無線傳感器工作并發(fā)送數(shù)據(jù)因而出現(xiàn)低占空比負(fù)載脈沖時(shí)，VOUT存儲電容器提供所需的突發(fā)能量。另外還提供了一個(gè)可由主機(jī)輕松加以控制的開關(guān)輸出(VOUT2)，以給不具備停機(jī)或低功率睡眠模式的電路供電。該器件具有一個(gè)電源良好輸出，用于在主輸出電壓接近其穩(wěn)定值時(shí)向主機(jī)發(fā)出警示信號。圖2示出了LTC3108的方框圖。LTC3108-1版本的器件除了提供一組不同的可選輸出電壓(2.5V、3.0V、3.7V或4.5V)以外，其他則與LTC3108完全相同。

　　圖2：LTC3108的方框圖

　　一旦VOUT充電并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，那么所收集的電流就被導(dǎo)向VSTORE引腳，以給一個(gè)可任選的大型存儲電容器或可再充電電池充電。如果能量收集電源是間歇性的，那么這個(gè)存儲元件就可用來保持穩(wěn)壓狀態(tài)并給系統(tǒng)供電。上電及斷電期間的輸出電壓排序可見于圖3。VAUX引腳上的一個(gè)并聯(lián)穩(wěn)壓器可防止VSTORE被充電至5.3V以上。

　　圖3：上電及斷電期間的電壓排序

　　采用一個(gè)邊長40mm的標(biāo)準(zhǔn)方形TEG，LTC3108能依靠低至1°C的ΔT來工作，從而使其適用于眾多的能量收集應(yīng)用。在ΔT較高的情況下，LTC3108將能夠提供一個(gè)較高的平均輸出電流。