助推能量采集

眾多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在尋求以非傳統(tǒng)能源作為主要或補(bǔ)充性供電源。利用現(xiàn)成的物理電源(例如，熱電發(fā)生器或熱電堆、壓電或機(jī)電裝置和光伏器件)來產(chǎn)生電力的換能器正在成為許多應(yīng)用的適配電源。通過僅使用收集到的能量，眾多無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和其他低功率應(yīng)用正在穩(wěn)步成為接近“零”功率的設(shè)備(常被有些人稱為“微功率”)。

盡管自2000年初，能量采集就出現(xiàn)了，但是最近的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)推動(dòng)其達(dá)到了可商業(yè)應(yīng)用的程度。簡(jiǎn)言之，2010年，我們?yōu)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/能量">能量采集的“增長(zhǎng)”階段做好了準(zhǔn)備。利用能量采集技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)化傳感器應(yīng)用已在歐洲出現(xiàn)，這表明增長(zhǎng)階段也許已經(jīng)開始。

得到商業(yè)上的接受
盡管能量采集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年，但是在真實(shí)環(huán)境中的系統(tǒng)部署一直很緩慢，原因是復(fù)雜度高和成本昂貴。盡管如此，仍然有一些市場(chǎng)采用了能量采集系統(tǒng)，包括了交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)以及樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)化而言，有了人體感應(yīng)傳感器、恒溫器和光開關(guān)等，系統(tǒng)就用不著通常需要的電源或控制線路，而是使用能量采集系統(tǒng)了。

類似地，采用能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)可以在樓宇中將任意數(shù)量的傳感器連接到一起。當(dāng)樓宇中沒有人時(shí)，通過關(guān)閉非必要區(qū)域的電源，可降低供熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)以及照明的費(fèi)用。此外，能量采集電子線路的費(fèi)用常常低于使用檢測(cè)線路的費(fèi)用，因此采用能量采集技術(shù)顯然會(huì)有經(jīng)濟(jì)收益。

一個(gè)典型的能量采集配置或系統(tǒng)(如圖1所示)通常由連接到發(fā)熱源(如HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆等免費(fèi)能量源組成。這些小型熱電設(shè)備可以將微小的溫差轉(zhuǎn)換成電能，然后利用能量采集電路，將這種電能轉(zhuǎn)換并調(diào)整為下游電路可用的電源形式。這些下游的電子線路通常會(huì)由某些種類的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和超低功率微控制器組成?，F(xiàn)在，這些元件能以電流形式接受收集到的能量，并喚醒一個(gè)傳感器，以獲得讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果，然后再通過一個(gè)超低功率無線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 典型能量采集系統(tǒng)的4個(gè)主要方框

在這電路中，除了能量源本身，每個(gè)電路系統(tǒng)模塊都受到一些特殊的限制，從而影響了它們?cè)谏虡I(yè)中的應(yīng)用。低成本、低功率的傳感器和微控制器已經(jīng)上市相當(dāng)一段時(shí)間了，不過只是在最近兩三年，超低功率收發(fā)器才商用化。盡管如此，在這電路中，落后的一直是能量采集器和電源管理器。

電源管理器的現(xiàn)有實(shí)施方案是一種低性能分立配置，通常由35個(gè)或更多元件組成。這類設(shè)計(jì)具有低的轉(zhuǎn)換效率和大的靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受到損害。低轉(zhuǎn)換效率將延長(zhǎng)給系統(tǒng)加電所需時(shí)間，反過來又延長(zhǎng)了獲得傳感器讀數(shù)和發(fā)送該數(shù)據(jù)之間的時(shí)間間隔。

新的升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器
迄今為止，高集成度DC/DC升壓型轉(zhuǎn)換器一直比較缺少，這類轉(zhuǎn)換器可以收集和管理由極低的輸入電壓源提供的多余能量。不過，LTC3108極大地簡(jiǎn)化了收集和管理由極低輸入電壓源提供的多余能量的任務(wù)。其升壓型拓?fù)湓谳斎腚妷旱椭?0mV時(shí)仍能正常運(yùn)行。這具有重大意義，因?yàn)樗试SLTC3108從低至1℃的溫度變化中收集TEG提供的能量。

圖2所示電路運(yùn)用一個(gè)小型升壓型變壓器來提高LTC3108輸入電壓源輸入的電壓，而LTC3108為無線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。