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物聯(lián)網(wǎng)可以從無(wú)線充電及能量收集中充分獲益

時(shí)間：2014-12-08 17:55 來(lái)源：凌力爾特公司作者：Tony Armstrong

背景信息

物聯(lián)網(wǎng)指的是一種日益顯著的趨勢(shì)，即不僅將人和電腦、而且將所有東西連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此人、電腦和所有東西也就實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)。例如，如果要部署工廠或大型基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用，那么盡可能多地連接位于不同地點(diǎn)的傳感器 (或傳動(dòng)器)，就可以提高效率、增強(qiáng)安全性并實(shí)現(xiàn)全新業(yè)務(wù)模式。

傳統(tǒng)上，各種不同類型的傳感器靠導(dǎo)線連接到電源。然而，如今面對(duì)的問(wèn)題不再是圍繞場(chǎng)地設(shè)施布設(shè)電纜的挑戰(zhàn)和費(fèi)用，因?yàn)楝F(xiàn)在可以安裝可靠、工業(yè)強(qiáng)度的無(wú)線傳感器，這些傳感器可以靠一塊小型電池甚至可從光、振動(dòng)或溫度變化中收集的能量工作很多年。另外，也可以通過(guò)組合可再充電電池與多種環(huán)境能源來(lái)供電。同時(shí)，由于內(nèi)在的安全問(wèn)題，有些可再充電電池不能以有線方式充電，而需要通過(guò)無(wú)線功率傳送方式充電。

引言

最新和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 產(chǎn)品 (例如振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏電池) 在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這樣的功率級(jí)也許看似用處有限，但是能量收集組件在若干年內(nèi)連續(xù)運(yùn)行可能意味著，無(wú)論就所提供的總能量還是就每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命主電池大致上都是可比的。此外，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統(tǒng)就不可能做到這一點(diǎn)。

不過(guò)，大多數(shù)解決方案會(huì)將環(huán)境能源作為主電源，將電池作為補(bǔ)充，如果環(huán)境能源消失或中斷提供，就可以將電池轉(zhuǎn)接進(jìn)來(lái)。這種電池可以是、也可以不是可再充電的，是否用可再充電電池，通常由最終應(yīng)用本身決定。所以，所遵循的原則是，如果最終部署環(huán)境易于進(jìn)入，方便不可再充電電池的更換，維護(hù)人員能夠以經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方式更換不可再充電電池，那么使用不可再充電電池就有經(jīng)濟(jì)意義。如果更換電池耗時(shí)費(fèi)力、成本高昂，那么采用可再充電電池就更有經(jīng)濟(jì)意義。

即使選擇了可再充電電池，給電池充電的最佳方法仍然需要探討。如下一些因素會(huì)影響這一決定：

1)是否存在有線電源給電池充電

2)環(huán)境能源是否提供充足的功率，足夠同時(shí)給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 供電以及給電池充電

3)是否由于內(nèi)在安全要求以及由于部署存在危險(xiǎn)性，而需要通過(guò)無(wú)線功率傳送來(lái)給電池充電

適用的能量收集和無(wú)線充電解決方案

對(duì)于這類富有挑戰(zhàn)性的系統(tǒng)之設(shè)計(jì)師而言，好消息是，已經(jīng)有一些電源 IC 具備必要的功能和性能特性，能夠通過(guò)能量收集，為可穿戴技術(shù)應(yīng)用提供量級(jí)如此之低的功率。為此，凌力爾特公司不久前推出了兩款器件 LTC3331 和 LTC4120。

LTC3331 是一款能量收集器件，可以延長(zhǎng)電池壽命，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(zhǎng)器

LTC3331 是一款完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，當(dāng)可收集能源可用時(shí)，用來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。該器件用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，不需要電池提供電源電流，在無(wú)負(fù)載情況下靠電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，還有一個(gè)靠可再充電電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以向能量收集應(yīng)用提供單一不間斷輸出，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量收集應(yīng)用。

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)提供 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分路電流允許用收集的能量簡(jiǎn)便地給電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護(hù)電池免于深度放電�？稍俪潆婋姵亟o同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器的輸入工作電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，當(dāng)收集能源不可用時(shí)，無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出，都可用來(lái)調(diào)節(jié)輸出。LTC3331 的電池充電器具備一種非常重要的電源管理功能，使用微型功率電源時(shí)，這一功能不可忽視。LTC3331 提供對(duì)電池充電器的邏輯控制功能，以便僅當(dāng)能量收集電源有富余的能量時(shí)，才給電池充電。如果沒(méi)有這一邏輯控制功能，能量收集電源會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，而不能在啟動(dòng)中給設(shè)定的應(yīng)用供電。當(dāng)收集能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這又增加了一個(gè)好處：如果適用的能量收集電源至少在一半時(shí)間內(nèi)可用，那么電池供電無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作壽命可延長(zhǎng) 10 年至超過(guò) 20 年，如果可收集能源更加廣泛可用的話，壽命甚至可以進(jìn)一步延長(zhǎng)。該器件還集成了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器，以提高輸出存儲(chǔ)容量。

不久前針對(duì)這類應(yīng)用推出的第二款 IC LTC4120，這是一款無(wú)線功率接收器和電池充電器。該器件集成了 PowerbyProxi (凌力爾特公司的技術(shù)合作伙伴) 的專利技術(shù)。PowerbyProxi 已獲專利的動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制 (Dynamic Harmonization Control，簡(jiǎn)稱 DHC) 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高效率非接觸式充電，而且在接收器中不會(huì)產(chǎn)生熱量或電氣負(fù)擔(dān)過(guò)重問(wèn)題。采用這種技術(shù)，可以通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1.2cm 的距離傳送高達(dá) 2W 功率。然而，對(duì)單節(jié)鋰離子電池而言，最高充電電壓為 4.2V，最大充電電流為 400mA，這將使 DHC 技術(shù)的傳送功率限制到 1.7W。類似地，2W 最大功率將兩節(jié)鋰離子電池 (8.4V 最高充電電壓) 的充電電流限制到 240mA。

功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統(tǒng)性能，因此，基于 LTC4120 的無(wú)線電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)為，當(dāng)使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時(shí)，通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1.2cm 的距離在電池端接收高達(dá) 2W 的功率。視所采用方法和組件的不同而不同，效率計(jì)算結(jié)果會(huì)有很大變化。在基于 LTC4120 的系統(tǒng)中，一般情況下，電池會(huì)接收 45% 至 55% 饋送到發(fā)送器的 DC 輸入功率。

LTC4120 中嵌入的 PowerbyProxi 專利 DHC 調(diào)諧技術(shù)與其他無(wú)線電源解決方案相比有一些顯著優(yōu)勢(shì)。為了響應(yīng)環(huán)境和負(fù)載變化，DHC 動(dòng)態(tài)改變接收器上諧振儲(chǔ)能電路的諧振頻率。DHC 在允許更長(zhǎng)傳送距離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了更高的功率傳送效率，從而使接收器尺寸能夠更小。與其他無(wú)線功率傳送技術(shù)不同，DHC 允許內(nèi)在功率管理成為感應(yīng)電場(chǎng)的組成部分，從而在電池充電周期中，無(wú)需用單獨(dú)的通信通道驗(yàn)證接收器或管理負(fù)載需求變化。

顯然，DHC 解決了所有無(wú)線電源系統(tǒng)的基本問(wèn)題。所有系統(tǒng)都必須設(shè)計(jì)為，通過(guò)給定最長(zhǎng)傳送距離接收一定量的功率。所有系統(tǒng)也都必須設(shè)計(jì)為，在最短傳送距離時(shí)能夠承受無(wú)負(fù)載情況而不被損壞。其他同類解決方案用復(fù)雜的數(shù)字通信系統(tǒng)解決這一問(wèn)題，這増加了復(fù)雜性和成本，限制了功率傳送距離�；� LTC4120 的無(wú)線電源系統(tǒng)用 PowerbyProxi DHC 技術(shù)簡(jiǎn)便地解決了這一問(wèn)題。