讓WSN節(jié)點不斷電　能源采集系統(tǒng)加速取代電池

能源采集系統(tǒng)已逐漸嶄露頭角。在高效率電源轉(zhuǎn)換積體電路（IC）加持下，能源采集系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換效率已較過去顯著提升，因而吸引愈來愈多無線感測網(wǎng)路（WSN）節(jié)點裝置設計人員，以能量采集技術取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長期維護成本。

凌力爾特電源管理產(chǎn)品部副總裁暨總經(jīng)理Don Paulus人類周遭存在許多環(huán)境能源，過去能源采集的傳統(tǒng)方法，往往是藉助太陽能板和風力發(fā)電機，不過，新的能源采集工具讓使用者能運用各式環(huán)境能源產(chǎn)生電能，而且，重要之處不在于電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是在于可為其供電的「平均采集」能量值，例如熱電產(chǎn)生器可轉(zhuǎn)換熱量、壓電元件可轉(zhuǎn)換機械振動、光伏元件用于轉(zhuǎn)換陽光，并且上述工具將進一步將這些環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成為可用的電能。這些能源采集元件能夠為遠端感測器供電或?qū)﹄娔苡洃涹w（例如電容器或薄膜電池）進行充電，并對微處理器（MPU）或發(fā)送器實施遠端供電，而毋須使用本地電源。

或許有人會認為，在整個能量采集過程中直流對直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器電路的轉(zhuǎn)換效率是最為關鍵的因素，然而事實并非如此。整個無線感測網(wǎng)路（WSN）的轉(zhuǎn)換效率才是最重要的。推理過程十分簡單，透過估算WSN可向系統(tǒng)提供多少環(huán)境能量，即可確定任意讀取和傳送操作的工作周期比，因此，對于任何應用產(chǎn)品，WSN轉(zhuǎn)換效率系決定整體方案之實用性的重要關鍵。

現(xiàn)行能量采集技術如振動能量采集和室內(nèi)光伏單元在典型工作條件下將產(chǎn)生毫瓦（mW）量級的功率。如此低的功率似乎用起來很受限，但無論就能量供應還是就所提供的每能量的單位成本而言，這些技術大體上已可與長壽命的主電池匹敵。此外，能源采集系統(tǒng)能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。

環(huán)境能源包括光、溫差、振動波束、已發(fā)送的射頻（RF）訊號，或者任何其他能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。表1列出從不同能量源可產(chǎn)生的能量。

當試圖實現(xiàn)單個或多個WSN能源采集系統(tǒng)時，所須要考慮的是整體系統(tǒng)運作需要多少功率。從原理上而言，這似乎相當直覺明瞭，然而，在現(xiàn)實中由于諸多因素的影響而使其難度略有增加，測試者須得知獲取讀數(shù)的頻率是多少？資料封包將會多大？系統(tǒng)須要將讀數(shù)傳送到多遠的地方？對于單顆感測器讀數(shù)，收發(fā)器約消耗50%的系統(tǒng)所用能量，表2概要羅列影響WSN能源采集系統(tǒng)功耗特性的因素。

能源采集器/輔助電能儲存器互助確保WSN供電無虞

由能源采集系統(tǒng)所提供的電源量取決于系統(tǒng)處于操作狀態(tài)的時間，因此衡量能源采集系統(tǒng)的主要標準為功率密度，而非能量密度。能源采集系統(tǒng)一般會遇到變動和不可預測的可用功率，因而須采用能源采集器和輔助電能儲存器相連的混合結構。由于采集器可有無限的能量供應而成為系統(tǒng)能源，而輔助電能儲存器（一個電池或一個電容器）可產(chǎn)生較高的功率，但儲存的能量較少，后者僅在必要的時候供電，其他情況下則定期從采集器接收電能，所以WSN在沒有可供采集功率的環(huán)境能源時，必須以輔助電能儲存器供電。

從系統(tǒng)設計人員的角度而言，這將進一步增加設計復雜程度，因為他們必須考慮一個問題——為對缺乏環(huán)境能量源的WSN提供補償電力，應在輔助儲存器中存儲多少能量？其取決的因素包括能量采集器缺乏環(huán)境能量源的時間長度、WSN工作周期比（即資料讀取和傳輸操作必須具備的頻率）、輔助儲存器（電容器、超級電容器或電池）的大小和類型、環(huán)境能量是否可提供既能充當主能量源，同時又擁有充分剩余能量為輔助電能儲存器充電？以下將就能源采集應用的DC-DC轉(zhuǎn)換IC特性概述，一般而言，為能量采集應用所接納和采用所需的必要IC性能特征包括：

運作電流通常小于6微安培（μA），并可低至450奈安培（nA）

低至20毫伏特（mV）

高達34伏特（連續(xù)）和40伏特（暫態(tài)）

搶搭能源成本順風車能源采集系統(tǒng)逐漸嶄露頭角

在可替代能源所帶來的諸多發(fā)展契機中，太陽能供電型電子裝置市場為絕佳例子，在各家公司致力尋求降低功耗之方法的情況下，太陽能供電型電子設備的市場呈持續(xù)成長的態(tài)勢。以智慧電表為例，為降低運行能源成本，部署在智慧電網(wǎng)上的智慧電表將很有可能由某種環(huán)境能量源來供電，而太陽能即為豐富的能量來源。然而，鑒于太陽能電源變化無常且不可靠，所以幾乎所有的太陽能供電型設備都配有可再充電電池，因此，汲取盡可能多的太陽能以對這些電池進行快速充電并保持其電荷狀態(tài)為系統(tǒng)設計的重要目標。

反之，倘若智慧電表采用電池做為其主電源，則電源轉(zhuǎn)換和管理電子元件在待機模式中將必須具非常低的靜態(tài)電流，以延長電池使用壽命，而目前業(yè)界已能提供一系列靜態(tài)電流水準低于25微安培的晶片。

所有因應綠色能源或能量采集的產(chǎn)品都將在今年之后逐漸嶄露頭角。由于市場對能源成本和環(huán)境問題的關注以及延長行動裝置電池使用壽命的需求升溫，業(yè)界對于包括智慧電網(wǎng)在內(nèi)的眾多應用的功率優(yōu)化產(chǎn)品均投入巨大的精力開展相關的研發(fā)。此外，目前已有高能效產(chǎn)品可使客戶以更高的效率進行功率轉(zhuǎn)換，并降低功耗和延長電池壽命。以上資源皆使設計人員能夠開發(fā)和實現(xiàn)毋需供電導線或電池的WSN，并真正地充分利用周圍豐富的免費環(huán)境能源。