背景信息

歷史上，遠程無線傳感器一直依靠電池供電來測量數據并以無線方式發送數據。這種方式一直工作可靠，但傳感器網絡的可用壽命取決于電池的可用壽命。在有些應用中，無線傳感器節點是人員可及的，因此電池可以相對容易地更換，盡管會有一些費用。這些電池設計為持續工作 5 年到 10 年時間，在每個傳感器節點中，都屬于昂貴的組件。還有一些應用，難以給電池充電，而且給電池充電屬于勞動密集型任務，費用高昂。例如，給核電站、煉油廠甚至地下設施中的無線傳感器的電池充電，相關費用可能是非常巨大的。當然，較大的電池可以提供較長的壽命，但是較大的電池物理尺寸更大、成本更高，因此不是沒有代價的。這樣一來，問題就變成：“怎樣讓電池持續工作更長時間？”一個可能的答案是，找到一種可收集能源，當可收集能源可用時，用該能源給傳感器節點供電，當沒有可收集能源可用時，用主電池給傳感器節點供電。

當然，能量收集絕不是一個新概念。第一座利用水和重力驅動渦輪發電機的水力發電廠建于 1882 年，提供了相對“綠色”和可持續的電力來源，這是一種規模非常大的可收集能源。然而，由于這種能源極度依賴自然形成的地勢，因此需要大型、昂貴的傳輸網絡。由于傳輸損耗隨距離加長而升高，所以極大地降低了可用功率。不過，在很多情況下，給無線傳感器節點供電僅需幾毫瓦功率，所以可以使用規模較小的解決方案。

面向這類應用的解決方案已從一個非常不同的角度重新引入了能量收集概念，為緊湊的、主要采用無線傳送方式且在功率譜低端的應用創造了一個新的市場。這類應用需要的輸出功率從幾毫微瓦到數十毫瓦。盡管太陽能電池 （光伏電池）、壓電換能器等非傳統電源已為大家所熟知，但是利用這類非傳統電源供電一直富有挑戰性。這類電源都需要某種類型的電源轉換電路，以高效率地收集、管理并將這種可替換能源轉換成更加方便使用的電能，給傳感器、微控制器和無線換能器供電。無論電源電壓高于所需電壓、必須降壓轉換為可用電壓或在某些情況下，需要先整流，然后再進行降壓轉換，都必須有特定的能量收集電路。歷史上，這類電路是非常復雜的分立式電路，具有多達 30 個組件，而且還要努力提供足夠高的效率以適合實際使用。直到不久前，才推出了專門的能量收集電源 IC，這類 IC 結合適當的換能器，可組成緊湊、簡單且效率非常高的電源轉換及管理解決方案。

這類超低功率應用包括多種無線系統，例如面向交通運輸、基礎設施、工業檢測、樓宇自動化、資產跟蹤等的無線系統。這類系統通常在大部分工作時間處于備用模式 （休眠），僅需要幾 μW 功率。系統喚醒時，傳感器測量壓力、溫度或機械偏轉等參數，然后以無線方式將這些數據傳送到遠程系統管理器。測量、處理和傳輸所用的全部時間通常僅為幾毫秒，但是在這么簡短的時間內卻需要數十 mW 功率。因為這些應用的占空比通常很小，所以必須收集的平均功率仍然可以相對較小。盡管電源可能只是一塊電池，但是它最終仍需要替換。不過如果能量收集設計在大多數時間內可以使用環境能源，而當沒有環境能源可用時，才使用電池，那么電池壽命就可以極大地延長。

毫微功率無線傳感器應用

以面向樓宇自動化的無線傳感器系統為例。占位傳感器、恒溫器、光感應開關等系統都可以擺脫通常所需的電源或控制布線，而是結合使用通過能量收集而來的環境能源和電池給無線網絡供電。除了不需要首先安裝線纜，這種替換方法也不需有線系統通常所需的日常維護，所以還可以進一步節省費用。

類似地，采用能量收集技術的無線網絡還可以將大樓內任何數量的傳感器連接到一起，以當大樓內沒人時，關閉非必要區域的電源，以此減少熱量、通風和空調 （HVAC） 以及照明費用。

能量收集案例分析

我們考慮一個基于能量收集的 HVAC 監視系統，例如一個工業園區的強制空氣流動管道，該系統需要連續監視空氣流動速度、溫度和壓力。每個無線傳感器節點 （WSN） 都可能內置了溫度、壓力和空氣流動傳感器。測量和報告必須每隔 5 秒鐘進行一次。由于 HVAC 系統分布在相當長的距離上，而且經常深深地埋入樓宇基礎設施中，所以敷設供電和信息傳輸線纜的費用非常高，且線纜需要時常維護，可能需要高昂的維修費用。定期更換電池會導致非常高的費用，因為取出每一塊電池都屬于勞動密集型任務。我們需要的是一個可連續運行的電源系統，當環境能源可用時，使用收集的環境能量，當沒有環境能量可收集使用時，用電池供電，以盡量減小使用電池。最受歡迎、最容易得到的環境能源之一是振動。小型壓電換能器可以簡便地將 HVAC 壓縮機上的振動能量轉換成小電流 AC 電信號 （參見圖 1）。這種收集能源需要整流和降壓，以提供可用的低電壓，為 WSN 供電。電池可用作備份電源，在暫時沒有收集能源可用時使用。然而，由于電池僅在部分時間使用，所以總體電池壽命可以極大地延長。因此，能提供非常高的效率、超低靜態電流以及能在能量收集能源和電池之間無縫轉換的能量收集 IC 是一種理想解決方案。

圖 1：所提供的功率隨壓電頻率變化

延長電池壽命的 IC

凌力爾特不久前推出的 LTC3330 是一款完整的能量收集穩壓解決方案，當可收集能源可用時，提供高達 50mA 的連續輸出電流，可延長電池壽命。當從收集能源向負載穩定供電時，該 IC 無需電池提供電源電流，當在無負載情況下由電池供電時，僅需 750nA 工作電流。LTC3330 集成了一個高壓能量收集電源和一個同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，該轉換器由主電池供電，為 WSN 中常見的那些能量收集應用產生單一無中斷輸出。能量收集電源由一個適合 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉換器組成，從壓電 （AC）、太陽 （DC） 或磁 （AC） 能源收集能量。主電池輸入為降壓-升壓型轉換器供電，當沒有收集能量可用時，該轉換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入電壓范圍內工作，以在無論輸入高于、低于或等于輸出時，都能調節輸出。當沒有收集能源可用時，LTC3330 自動轉換到電池。

LTC3330 的能量收集輸入在 3V 至 19V 的 AC 或 DC 電壓范圍內工作，適用于壓電、太陽或磁等多種能源。其輸入欠壓閉鎖門限設定值是在 3V 至 18V 范圍可編程的，從而使應用能夠在能量收集電源的峰值功率傳送點上工作。其他特點包括可編程 DC/DC 和 LDO 輸出電壓、降壓-升壓峰值電流限制、一個集成的超級電容器充電器 / 平衡器和一個輸入保護分流電路 （在 VIN 》20V 時，電流高達 25mA）。

圖 2 所示電路顯示了采用壓電換能器 AC 輸入的 LTC3330。一般而言，應用或者使用 AC1 端的 DC 輸入，而且有可能同時使用 AC2 端的第二個輸入，或者使用跨 AC1 和 AC2 連接的單個 AC 輸入。如果能量收集電源是 AC 電源，例如由壓電換能器產生的電源，那么 LTC3330 就用集成的全波橋式整流器向輸入電容器提供 DC 電壓，而 DC 能量直接存儲到輸入電容器中。一旦輸入電容器上的電壓超過 ULVO，LTC3330 的輸入優先級設定器就關斷電池，并調節來自收集電源的輸出。VOUT 從 1.8V 至 5V 是引腳可編程的，該輸出通常為 RF 收發器供電。此外，1.2V 至 3.3V 的 LDO 輸出是低噪聲的，一般作為微處理器內核電源使用。當使用能量收集電源時，這兩個輸出相結合，可提供高達 125mA 的輸出電流，當電池啟動時，可提供 50mA 電流。在能量收集模式時，如果有多余的輸出功率，可以儲存到超級電容器中，以備將來使用，這進一步延長了電池壽命。集成的超級電容器平衡器可以用來進一步優化能量存儲。需要特別指出的是，在使用能量收集電源時，電池的靜態電流為零，因此所有電池能量都能節省下來，以備將來使用。

圖 2：LTC3330 壓電能量收集 / 主電池原理圖

圖 3：LTC3330 方框圖

圖 3 更詳細地顯示了 LTC3330 集成的功能。集成的全波橋式整流器適合壓電或磁換能器等產生的 AC 輸入，將 AC 信號整流成 DC 信號。顯然，太陽能電池等產生的 DC 輸入不需要整流。如果有多個換能器輸入，那么 LTC3330 就使用提供最高可用電壓 （功率） 的那一個。輸入電流通過輸入電容器收集，當超過可編程 ULVO 門限時，優先級設定器就關斷電池，由同步降壓型轉換器向輸出提供所需功率，該功率通過 VOUT 引腳或低噪聲 LDO 輸出提供給負載；任何多余的功率都存儲在輸出電容器和 / 或超級電容器中。在這種狀態下，電池吸取的靜態電流為零。輸入保護分流電路為電壓超過 20V 的情況提供額外的安全保護。如果沒有能量收集輸入電源可用，那么優先級設定器就自動切換到同步降壓-升壓型轉換器，以提供所需輸出。在整個轉換期間，VOUT 和 VLDO 都保持穩定，從而為傳感器、無線發送器和微處理器提供了所需功率。降壓-升壓型轉換器能提供 1.8V 至 5.5V 的輸入，適合多種鋰離子電池。無論電池電壓是高于、等于還是低于 VOUT，該降壓-升壓型轉換器都以超過 90% 的效率提供恒定電壓。與常規降壓型設計相比，降壓-升壓型架構使電池運行時間延長 30% 以上。當用電池工作時，總的輸出電流取決于 VIN/VOUT 之比和電池不能使用時之最終電壓，這輸出電流大約為 50mA。

VOUT 是低噪聲 LDO 輸出的輸入，該輸出范圍為 1.2V 直至比 VOUT 低 50mV，是引腳可編程的，非常適用于給多種微處理器 / 控制器內核供電。可選超級電容平衡器確保存儲能量有最長壽命。VOUT 和 VLDO 都有電源良好狀態輸出，以從總體上減輕系統工作負擔。

那么電池壽命延長了多少呢？

準確地說，電池壽命能夠延長多少取決于環境能源的性質 / 可用性以及 WSN 需要的總功率。在前面所舉的 HVAC 例子中，如果壓縮機在所有時間都工作，整個系統由壓電能量收集電源供電，而電池僅用作備用電源，在停電或壓縮機檢修時使用，那么可以無限期地延長電池壽命。類似地，在火車應用中，傳感器用來測量輪轂軸承溫度、貨物庫存或溫度；火車運行時，壓電能量收集電源為系統供電，火車靜止時，由電池供電。這也會顯著延長電池壽命，這種特點是軌道車輛特別需要的。

可以看到的另一個例子是太陽能環境能源應用。通過將一摞非常小的太陽能電池用作能量收集電源，這類系統白天能夠用太陽能電池工作，同時也在輸出電容器和超級電容器中儲存多余的電能，當沒有太陽能電池輸入可用時，系統首先給輸出電容器和超級電容器放電幾個小時，然后再轉換到電池。視外部條件的不同而不同，這有可能至少將電池壽命延長 2 倍。

至于電池壽命能延長多少，答案是“視情況而定”。不過延長時間介于 2 倍至無限期之間，而且高度取決于系統設計和輸入 / 輸出功率占空比。顯然，只有通過用能量收集 IC 納入能量收集電源、用主電池補充能量收集電源時，才有可能延長電池壽命。在大多數情況下，這還使設計師能夠使用更小、更便宜的電池。

結論

就多種 WSN 應用而言，增加合適的環境能源換能器和能量收集電源管理 IC 可以極大地延長系統主電池的壽命。LTC3330 提供了這類電源管理解決方案，該 IC 接受 AC 和 DC 環境能源以及主電池輸入，并在需要時在兩種電源之間無縫轉換。此外，當收集能源可用時，該 IC 還提供高效率且電池漏電流為零，可構成非常緊湊、易于實現的解決方案。在很多應用中，LTC3330 都可無限期地延長電池壽命，從而允許使用尺寸更小、成本更低的主電池，并降低了電池更換費用。