真正擺脫電網(wǎng)的束縛：面向無線傳感器的堅固型能量收集系統(tǒng)

無線傳感器擁有一個新興和規(guī)模巨大的潛在市場。在人們難以接近的地方、或者那些需要使用大量傳感器 (由于傳感器數(shù)目過于龐大而難以輕松實現(xiàn)至數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的硬連接) 的應(yīng)用中，無線傳感器均憑借其與眾不同的特性而成為合適之選。在大多數(shù)場合中，利用主要電池來運行對于此類系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實的。例如：肉類裝運過程中負責監(jiān)視其溫度的傳感器將必需采用一種防損害的方式來進行安裝。又如：安裝于每種已調(diào)節(jié)空氣源上的 HVAC 傳感器將由于過于分散而可能使用電池。在這些應(yīng)用中，能量收集技術(shù)能夠在不采用主要電池的情況下解決供電問題。

單靠能量收集常常無法產(chǎn)生連續(xù)運行傳感器-發(fā)送器所需的足夠功率——能量收集可產(chǎn)生約 1mW~10mW 的功率，而有源傳感器-發(fā)送器組合的功率需求則有可能達到 100mW~250mW。在可能的情況下必須將收集的能量存儲起來以隨時供傳感器/發(fā)送器使用，而傳感器/發(fā)送器的工作占空比一定不得超過系統(tǒng)的能量存儲能力。同樣，傳感器/發(fā)送器有可能需要在未收集到能量的時候運作。

最后，倘若存儲的能量耗盡而系統(tǒng)即將停機，則系統(tǒng)或許必需首先執(zhí)行內(nèi)務(wù)處理工作。這可能包括一條停機消息、或者將信息存儲于非易失性存儲器中。因此，應(yīng)當連續(xù)不斷地測量可用的能量，這一點很重要。

完整的能量收集系統(tǒng)
圖 1 示出了一款完整的系統(tǒng)實現(xiàn)方案，此方案采用了一個 LTC3588-1 能量收集器和降壓型穩(wěn)壓器 IC、兩個 LTC4071 并聯(lián)電池充電器、兩個GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器 (被模擬為一個具 1% 占空比的 12.4mA 負載)。 LTC3588-1 包含一個具非常低泄漏的橋式整流器，其輸入位于 PZ1 和 PZ2，而輸出則位于 VIN 和 GND。VIN 同時還是具有非常低靜態(tài)電流的降壓型穩(wěn)壓器的輸入電源。降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓由 D1 和 D0 設(shè)定為 3.3V。

圖 1：基于壓電元件的完整能量收集系統(tǒng)不受電網(wǎng)的限制。該設(shè)計采用薄膜電池來積
聚壓電元件所收集的能量，并提供給一個以 1%占空比運作的無線傳感器發(fā)送器。

LTC3588 由一個 Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電式傳感器來驅(qū)動，它能夠產(chǎn)生 12mW 的最大功率。在我們的實現(xiàn)方案中，PFCB-W14 提供了大約 2mW 的功率。

LTC4071 是一款具可編程浮置電壓和溫度補償功能的并聯(lián)電池充電器。浮置電壓設(shè)定為 4.1V，其容差為 ±1%，因而產(chǎn)生了一個 4.14V 的最大值 —— 安全地低于電池容許的最大浮置電壓。另外，LTC4071 還能通過 NTC 信號檢測電池的溫度，并在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長電池的工作壽命。

LTC4071 能夠在內(nèi)部提供 50mA 的并聯(lián)電流。然而，當電池低于浮置電壓時，LTC4071 將僅從電池吸收約 600nA 的電流。

GM BATTERY GMB301009電池具有 8mAh 的容量和 10Ω 左右的內(nèi)部串聯(lián)電阻。

仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的建模采用了 Microchip PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)器模塊。該射頻芯片在發(fā)送和接收模式中的吸收電流分別為 23mA 和 18mA。此模型將之表示為一個 12.4mA、0.98% 占空比 (2ms/204ms) 負載，并利用一個自計時數(shù)字定時器和一個負責 267Ω 電阻器開關(guān)切換的 MOSFET 來設(shè)定。

操作模式
該系統(tǒng)具有兩種操作模式：充電-發(fā)送和放電-發(fā)送。在充電-發(fā)送模式中，電池被充電而傳感器-發(fā)送器提供一個 0.5% 占空比負載。在放電時，傳感器-發(fā)送器處于運作狀態(tài)，但此時并沒有從 PFCB-W14 收集能量。

充電-發(fā)送 (Charging-Sending)
當處于運行狀態(tài)時，PFCB-W14 輸送的平均功率約為 9.2V × 180µA ≈ 1.7mW?？捎玫碾娏鞅仨殞﹄姵剡M行充電并負責運作用于驅(qū)動仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的降壓型穩(wěn)壓器。運行中的傳感器-發(fā)送器在大約 1% 的時間里吸取 12.4mA × 3.3V ≈ 41mW 的功率 (即 0.41mW 左右的平均功率)，因而留出了一些電流用于給電池充電?？紤]到 LTC3588 降壓型穩(wěn)壓器的效率為 85%，當平均 VIN 為 9.2V (見圖 2)、降壓型穩(wěn)壓器靜態(tài)電流為 8μA 時，在未對電池充電情況下系統(tǒng)所消耗的平均電流為：

圖 2：具傳感器-發(fā)送器負載時的充電

收集的能量能夠以 0.5% 的占空比驅(qū)動傳感器-發(fā)送器，而留出約 120μA 的電流供電池充電之用。GMB301009 電池的容量為 8mAh，因此它們可在 75 小時左右的時間里充滿電。

放電-發(fā)送 (Discharging-Sending)
當 PFCB-W14 未輸送功率時，VIN 上的電壓下降至大約：

于是，反射負載電流計算公式變?yōu)椋?/p>

降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流較高，這是因為它必須更加頻繁地開關(guān)以從 7.5V 與 9.2V 進行調(diào)節(jié)。在 78µA 靜態(tài)電流條件下，如果沒有收集能量，則電池的放電時間大約為 115 小時。這表明電池的電荷存儲容量 >8.95mAh。這些電池在全新時所存儲的電荷可比額定值高出 12%。