能源采集系統(tǒng)嶄露頭角 取代電池供電降低維護(hù)成本

【導(dǎo)讀】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(diǎn)裝置設(shè)計(jì)人員，以能量采集技術(shù)取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長期維護(hù)成本。

摘要：  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(diǎn)裝置設(shè)計(jì)人員，以能量采集技術(shù)取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長期維護(hù)成本。

關(guān)鍵字：  能源采集系統(tǒng)，IC，WSN，電池供電

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(diǎn)裝置設(shè)計(jì)人員，以能量采集技術(shù)取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長期維護(hù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，不過，新的能源采集工具讓使用者能運(yùn)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(jī)械振動(dòng)、光伏元件用于轉(zhuǎn)換陽光，并且上述工具將進(jìn)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?yàn)檫h(yuǎn)端感測器供電或?qū)﹄娔苡洃涹w(例如電容器或薄膜電池)進(jìn)行充電，并對微處理器(MPU)或發(fā)送器實(shí)施遠(yuǎn)端供電，而毋須使用本地電源。

或許有人會(huì)認(rèn)為，在整個(gè)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(guān)鍵的因素，然而事實(shí)并非如此。整個(gè)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(yīng)用產(chǎn)品，WSN轉(zhuǎn)換效率系決定整體方案之實(shí)用性的重要關(guān)鍵。

現(xiàn)行能量采集技術(shù)如振動(dòng)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(yīng)還是就所提供的每能量的單位成本而言，這些技術(shù)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(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。

[#page#]

環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)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(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)WSN能源采集系統(tǒng)時(shí)，所須要考慮的是整體系統(tǒng)運(yùn)作需要多少功率。從原理上而言，這似乎相當(dāng)直覺明瞭，然而，在現(xiàn)實(shí)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(huì)多大?系統(tǒng)須要將讀數(shù)傳送到多遠(yuǎn)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(chǔ)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(shí)間，因此衡量能源采集系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)為功率密度，而非能量密度。能源采集系統(tǒng)一般會(huì)遇到變動(dòng)和不可預(yù)測的可用功率，因而須采用能源采集器和輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。由于采集器可有無限的能量供應(yīng)而成為系統(tǒng)能源，而輔助電能儲(chǔ)存器(一個(gè)電池或一個(gè)電容器)可產(chǎn)生較高的功率，但儲(chǔ)存的能量較少，后者僅在必要的時(shí)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(shí)，必須以輔助電能儲(chǔ)存器供電。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度而言，這將進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]一個(gè)問題--為對缺乏環(huán)境能量源的 WSN提供補(bǔ)償電力，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(dāng)主能量源，同時(shí)又擁有充分剩余能量為輔助電能儲(chǔ)存器充電?以下將就能源采集應(yīng)用的DC-DC轉(zhuǎn)換IC特性概述，一般而言，為能量采集應(yīng)用所接納和采用所需的必要IC性能特征包括：

[#page#]

低待機(jī)靜態(tài)電流

運(yùn)作電流通常小于6微安培(μA)，并可低至450奈安培(nA)

低啟動(dòng)電壓

低至20毫伏特(mV)

高輸入電壓能力

高達(dá)34伏特(連續(xù))和40伏特(暫態(tài))

能夠處理交流電(AC)輸入

多輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

自動(dòng)極性操作

針對太陽能輸入的最大功率點(diǎn)控制(MPPC)

能夠從低至1°C的溫差采集能量

接腳占位精小且外部元件極少

搶搭能源成本順風(fēng)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(jī)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(shè)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(yùn)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(shè)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(jìn)行快速充電并保持其電荷狀態(tài)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。

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(jī)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(zhǔn)低于25微安培的晶片。[!--empirenews.page--]

所有因應(yīng)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(guān)注以及延長行動(dòng)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(yīng)用的功率優(yōu)化產(chǎn)品均投入巨大的精力開展相關(guān)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(jìn)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(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)和實(shí)現(xiàn)毋需供電導(dǎo)線或電池的WSN，并真正地充分利用周圍豐富的免費(fèi)環(huán)境能源。