傳感器應(yīng)用于無線電源中的優(yōu)勢解析方案

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)斷電路進(jìn)入空閑狀態(tài))。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-l采用10引腳MSE封裝和3mmx 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;uW/cm2的功率密度。

·當(dāng)存在溫度梯度時(shí)9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pW/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。壓電元件能夠產(chǎn)生幾百pW/cm2的功率密度(取決于其尺寸和結(jié)構(gòu))。

·RF能量收集由天線來完成9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，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)能量儲存元件和一種用于將該儲能轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用穩(wěn)定電壓的設(shè)各。另外，在換能器和能量儲存元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，或在采用壓電器仵的情況下負(fù)責(zé)對AC信號進(jìn)行整流。

圖2：能量收集系統(tǒng)紐件