能量收集意味著什么？

　　能量收集系統(tǒng)的終端往往是毫微功率轉(zhuǎn)換的需求。大多數(shù)情況下，會采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補充環(huán)境能源，如果環(huán)境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

　　能量收集 WSN

　　我們周圍有豐富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到”可用來給電路供電的能量之多少。例如，熱電發(fā)生器將熱 (或冷) 轉(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光 (或任何光源)，通過化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電，而無需本地電源。

　　一般而言，在非傳統(tǒng)能源市場使用的 IC 必須具備的性能特點如下：

　　● 很小的備用靜態(tài)電流：一般情況下低于6µA，最低可低至 450nA。

　　● 很低的啟動電壓：低至 20mV。

　　● 很強的輸入電壓能力：高達 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓。

　　● 能夠處理 AC 輸入。

　　● 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理。

　　● 自動極性工作。

　　● 面向太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)。

　　● 能夠從低至1℃的溫度變化中收集能量。

　　● 外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案。

　　WSN(無線傳感網(wǎng))基本上是自含式系統(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

　　在嘗試實現(xiàn) WSN 時，一個需要考慮的問題是：需要多少功率才能使該 WSN 運行? 理論上，這個問題似乎相當(dāng)簡單;然而，現(xiàn)實情況是，由于一些因素使這問題有點難以回答。例如，獲取讀數(shù)的頻度有多高?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會有多大?數(shù)據(jù)需要傳送多遠?這是因為，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見表 1。

　　當(dāng)然，能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長時間。因此，比較能量收集能源的主要衡量標(biāo)準是功率密度，而不是能量密度。收集能量時一般會遇到很小、可變和不可預(yù)測的可用功率，因此常常采用混合結(jié)構(gòu)，即連接收集器和輔助電力儲存庫的結(jié)構(gòu)。收集器由于能量供應(yīng)無限 (但功率不足) 而成為系統(tǒng)的能源。輔助電力儲存庫 (或者是電池或者是電容器) 能產(chǎn)生更高的輸出功率，但是存儲的能量較少，從而在需要時供電，否則定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有環(huán)境能源可供收集能量的情況下，必須用輔助電力儲存庫給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計師的角度看，這進一步增大了復(fù)雜程度，因為他們必須考慮，輔助電力儲存庫必須存儲多少能量才能補償環(huán)境能源的不足。而僅是需要儲存多少能量這個問題，就取決于幾種因素，包括：

　　● 在多長時間內(nèi)沒有環(huán)境能源可用;

　　● WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數(shù)據(jù)的頻度);

　　● 輔助存儲庫 (電容器、超級電容器或電池) 的大小和類型;

　　● 是否有足夠的環(huán)境能源可用，既能充當(dāng)主能源，又有充足的能量余留下來，以當(dāng)主電源在一段時間內(nèi)不可用時，給輔助存儲庫充電。

　　環(huán)境能源包括光、熱量差、振動波束、所發(fā)送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。表 2 說明了不同能源能夠產(chǎn)生之能量的多少。

　　在很多應(yīng)用中，這樣的功率值對系統(tǒng)部署都是有意義的。例如，汽車調(diào)光窗、橋梁監(jiān)視器、樓宇自動化、電量計、氣體傳感器、健康監(jiān)視器、HVAC 控制、電燈開關(guān)、遠程管道監(jiān)視器、水表。

　　毫微功率 IC 解決方案

　　顯然，WSN 只有非常少的能量可用。這又意味著，系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個問題，但是在電源轉(zhuǎn)換方面，仍然存在空白。不過，專門為了滿足這種需求，凌力爾特推出了 LTC3330。

　　LTC3330 是一款完整的可調(diào)節(jié)能量收集解決方案，在可收集能量可用時，提供高達 125mA 的連續(xù)輸出電流，以延長電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負載提供穩(wěn)定功率時，該器件無需電池提供電源電流，而在無負載情況下用電池供電時，僅吸取 750nA 電流。LTC3330 集成了一個高壓能量收集電源，當(dāng)用主電池供電時，還有一個同步降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器，這樣就可為能量收集應(yīng)用提供一個不間斷的輸出，例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那些能量收集應(yīng)用。