相反，系統應從自身環(huán)境收集能量——通過(guò)光伏元件、射頻能量、壓力以及熱能、空氣流動(dòng)或流體運動(dòng)進(jìn)行收集。 例如，流量表理論上可從其測量的介質(zhì)收集能量，從而實(shí)現能量自給。 壁裝式傳感器可從照射到其表面的光收集能量。

 

實(shí)際上，電子傳感器系統的能效很低，不能夠完全依賴(lài)環(huán)境能量收集。 但是，通過(guò)盡可能利用環(huán)境能量，可以延長(cháng)電池續航時(shí)間——雖然這樣做會(huì )使系統設計變得復雜。

 

關(guān)鍵問(wèn)題是，電能很難收集，因為它要么在電壓很低時(shí)出現，要么在電壓很高時(shí)出現，且兩種情況都存在相位難題。 因此，需要有專(zhuān)門(mén)技術(shù)來(lái)處理輸入，包括提供能夠處理低壓高阻抗電源的升壓轉換器，很多能量收集模塊都向系統提供這種電源。 此外，升壓轉換器等電路可能會(huì )產(chǎn)生高頻噪聲，干擾無(wú)線(xiàn)電通信。 系統應能應對這些情況。

 

進(jìn)一步的要求是，應能支持最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 功能，對于光伏發(fā)生器和熱電發(fā)生器而言尤其如此。 每個(gè)光伏模塊都有其電流-電壓 (IV) 特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)不僅取決于入射光，還取決于溫度。 該曲線(xiàn)確定可實(shí)現最大程度能量收集的電壓。 偏離該電壓可能會(huì )減少收集到的電流，繼而導致收集到的能量減少。

 

圖 1：光伏收集器的 IV 曲線(xiàn)。

 

溫度也會(huì )影響模塊的峰值輸出能效。 高溫會(huì )導致模塊的輸出電壓下降。 因此，即使在陽(yáng)光強烈時(shí)，即光伏電池板的能效應該最高的時(shí)段，如果電子電路未能補償隨之發(fā)生的電壓下降，光伏電池板的轉換效率仍可能下降。 借助 MPPT，電源轉換電子器件可跟蹤環(huán)境情況變化，并確保始終選擇最適當的電壓。 幸運的是，隨著(zhù)照明變化發(fā)生的最大功率點(diǎn)偏移通常相對較小，因此，MPPT 控制電路只需要分析 IV 曲線(xiàn)中相對較小的一部分。

 

壓電收集器呈現出不同但類(lèi)似的特性：開(kāi)路電壓大約與短路電流成反比。 壓電元件可串聯(lián)或并聯(lián)放置，以獲得收集能量所需的電壓范圍。 通常，當壓電收集器的工作電壓為開(kāi)路電壓的一半左右時(shí)，壓電收集器會(huì )產(chǎn)生最大功率。

 

圖 2：壓電收集器的 IV 曲線(xiàn)。

 

在系統方面要考慮的另一個(gè)問(wèn)題是，如何高效地管理已收集能量，確保電池不會(huì )意外過(guò)度充電，且能量收集和儲存過(guò)程消耗的能量不應超過(guò)可儲存的能量。 將電池和超級電容器結合使用通常能夠有效避免用不可靠的電源充電。

 

雖然從理論上講，這種組合比充電電池更容易控制，但超級電容器的電壓很低，這意就味著(zhù)這些電容器通常串聯(lián)，以獲得兼容大多數系統電子器件的電壓。 超級電容器串聯(lián)時(shí)，分布到整個(gè)超級電容器組的電壓最初是電容的函數。 但是，如果超級電容器組的電壓在一段時(shí)間內保持不變，則電壓分布會(huì )由于漏電電流而發(fā)生偏移，變成內部并聯(lián)電阻的函數。

 

一項可減少漏電造成電壓位移的設計技術(shù)是，將電阻器和每個(gè)超級電容器并聯(lián)。 但是，這樣會(huì )增加能量損耗，而這并不符合能量收集設計的初衷。 對此，有源超級電容器平衡是更為行之有效的技術(shù)。Linear Technology 的 LTC3331 也采用了這項技術(shù)；該器件是專(zhuān)為解決將電池和已收集能量結合使用所存在的問(wèn)題而設計的眾多器件之一， 這些器件的出現，減少了系統設計人員實(shí)施分立解決方案的需要。

 

圖 3：LTC3331 的典型應用，圖中右側顯示了超級電容器平衡器連接。

 

LTC3331 中的有源超級電容器平衡器需要與使用 BAL 引腳的兩個(gè)器件配合使用來(lái)實(shí)現其功能。 LTC3331 中的控制器會(huì )主動(dòng)實(shí)現高達 10 mA 的拉出和灌入電流，將 BAL 引腳的電壓調節為該器件輸出電壓的一半。 該平衡器的功耗為 150 nA。 如果不需要平衡功能，或者該功能在實(shí)際應用中耗用過(guò)多能量，則可將其禁用；這樣，通過(guò)將 BAL 引腳和 SCAP（當處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，它通常與 Vout 連接）同時(shí)接地，即可將靜態(tài)電流降至零。

 

LTC3331 等器件的設計核心是升壓或升降壓 DC/DC 轉換器，這些轉換器可與典型的能量收集器配合使用。 這種轉換器與用于控制的電子器件連接，這些控制器件決定升壓轉換器何時(shí)進(jìn)入活動(dòng)狀態(tài)。 控制器還可執行 MPPT 計算。 以 LTC3331 為例，該器件使用壓電能源或光伏能源，適用于無(wú)線(xiàn)系統。無(wú)線(xiàn)系統的平均功耗很低，但當數據需要轉發(fā)到集線(xiàn)器或網(wǎng)關(guān)時(shí)，其電量需求會(huì )突增。 在這種情況下，會(huì )從超級電容器吸取能量，甚至還可能從電池吸取能量，具體取決于自上次通信以來(lái)收集了多少能量。

 

在 LTC3331 中，當存在可收集能量時(shí)，這些能量會(huì )通過(guò)橋式整流器傳輸到輸入電容器并在那里聚積。 LTC3331 帶有一個(gè)在低靜態(tài)電流下工作的欠壓鎖定電路，使得電容器電壓可升至設定的閾值。 電容器電壓一旦超過(guò)該閾值，降壓轉換器即會(huì )啟動(dòng)，將能量傳輸到輸出軌。 如果輸入電容器的電壓降至下降閾值以下（通常設置為不同于上升閾值，以避免不必要的振蕩），降壓轉換器會(huì )關(guān)閉，升降壓轉換器啟動(dòng)以實(shí)現電池供電；在這種情況下，仍可繼續將能量收集到超級電容器中。

 

Analog Devices 生產(chǎn)的 ADP5090 帶有適用于低壓熱電能源和太陽(yáng)能的升壓轉換器，其工作電壓低至 380 mV。 該器件配有一個(gè)用于連接備用電池或超級電容器的接口，且支持 MPPT。

 

圖 4：ADP5090 應用示意圖，左側為用于 MPPT 設置存儲 (CBP) 的電容器連接。

 

MPPT 控制能力借助外部電容器得以保持；應在出現低漏電的情況下選擇使用外部電容器，因為控制電路大約每隔 19 秒對收集器輸入進(jìn)行一次采樣。 如果電容器電壓下降，MPPT 控制器的效率會(huì )降低。 對此，10 nF X7R 或 C0G 低漏電陶瓷可提供適當水平的性能。 為了支持很低的收集電壓，ADP5090 采用了充電泵，以使升壓轉換器能夠在很低的輸入電壓下啟動(dòng)。 附加電路會(huì )檢查電壓是否過(guò)低，以致運行升壓轉換器在收集可用能量時(shí)，實(shí)際上會(huì )開(kāi)始耗用電池電量。

 

對于無(wú)線(xiàn)應用（這種應用的特點(diǎn)是，射頻電子器件可能對噪聲非常敏感，尤其是以低功耗工作時(shí)），在有外部軟件或硬件控制的情況下，可臨時(shí)禁用升壓開(kāi)關(guān)轉換器——只需拉高 DIS_SW 引腳即可。

 

Texas Instruments.生產(chǎn)的 bq25504 也是不錯的選擇。 該器件能夠在能量收集器提供的 330 mV 輸入電壓下冷啟動(dòng)，運行時(shí)可支持低至 80 mV 的電壓。 這可為以 330 nA 靜態(tài)電流運行的升壓轉換器提供所需的電力。 雖然 bq25504 不能直接控制備用電池，但它可根據用戶(hù)可編程的欠壓和過(guò)壓狀態(tài)監視最大和最小電壓，以防存儲元件受損。 為便于能量管理，該器件采用“電池良好”標志控制，當儲能電池或電容器的電壓降至低于預設的臨界水平時(shí)，會(huì )向所連接的微處理器發(fā)出警報信號。 這會(huì )使得負載電流削減，以防系統進(jìn)入欠壓狀態(tài)。

 

LTC3331、ADP5090 和 bq25504 等解決方案通過(guò)結合使用電池和已收集能量，能夠更容易地實(shí)現具有很長(cháng)電池續航時(shí)間的 IoT 傳感器節點(diǎn)。

 

 

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