引言

　　在我們周圍的世界里存在著許許多多的環(huán)境能量，能量收集的傳統(tǒng)方法一直是借助太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的收集工具允許我們利用各種各樣的環(huán)境能量源來產(chǎn)生電能。而且，重要之處不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而更多地是在于可為其供電的“平均收集”能量值。例如：熱電發(fā)生器可將熱量轉(zhuǎn)換為電力、壓電元件可轉(zhuǎn)換機械振動、光伏元件用于轉(zhuǎn)換陽光 （或任何光子源）、而流電元件則可從濕氣實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。這使得能夠給遠程傳感器供電或?qū)﹄娔艽鎯ζ骷?（例如：電容器或薄膜電池） 進行充電，從而可為微處理器或發(fā)送器實施遠程供電，而無需使用本地電源。

　　有人或許會認為：在整個能量采集過程中 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路的轉(zhuǎn)換效率是最為關(guān)鍵的因素；然而事實情況并非如此。整個無線傳感器節(jié)點 （WSN） 的轉(zhuǎn)換效率才是最重要的。推理過程十分簡單；通過獲知可向系統(tǒng)提供之環(huán)境能量的多少，即可確定任意讀取和傳送操作的占空比。因此，對于任何給定的應(yīng)用，決定實現(xiàn)方案之實用性的正是該“整體轉(zhuǎn)換”效率。

　　存在多少可收集的能量？

　　最先進和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù) （例如：振動能量收集和室內(nèi)光伏單元） 在典型工作條件下產(chǎn)生 mW 量級的功率。這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般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RF信號，或者幾乎任何其他能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。表 1 列出了從不同能量源可產(chǎn)生的能量。

　　表 1：能量源及其所能產(chǎn)生的能量值

　　在許多應(yīng)用中，此類功率等級對于系統(tǒng)部署而言都是有意義的。以下只是幾個例子：

　　1） 飛機腐蝕傳感器

　　2） 自動調(diào)光車窗

　　3） 橋梁監(jiān)測器

　　4） 樓宇自動化

　　5） 用電量表

　　6） 氣體傳感器

　　7） 健康監(jiān)測儀

　　8） HVAC 控制器

　　9） 光開關(guān)

　　10） 遠程管線監(jiān)控器

　　11） 手表

　　12） 水表

　　我需要多少功率？

　　當(dāng)試圖實現(xiàn)單個或多個 WSN 時，需要考慮一個有益的問題：運作需要多少功率？ 從原理上說這似乎相當(dāng)直觀明了；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。例如：獲取讀數(shù)的頻度是多少？ 或者更重要的是：數(shù)據(jù)包將有多大以及需要將它傳送到多遠的地方？ 這是因為：對于單個傳感器讀數(shù)，收發(fā)器約消耗 50% 的系統(tǒng)所用能量。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。表 2 概要羅列了這些因素。

　　表 2：影響 WSN 功耗的因素

　　然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預(yù)測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構(gòu)。由于收集器可有無限的能量供應(yīng)而成為了系統(tǒng)能源。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，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度而言，這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進一步增加，因為他們現(xiàn)在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環(huán)境能量源的情況提供補償，應(yīng)在輔助儲存器中存儲多少能量？”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：

　?。?） 缺乏環(huán)境能量源的時間長度

　?。?） WSN的占空比 （即數(shù)據(jù)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

　　（4） 是否可提供既能充當(dāng)主能量源、同時又擁有充分剩余能量 （當(dāng)在某些特定時段內(nèi)不可用時可為輔助電能儲存器充電） 的足夠環(huán)境能量？

　　DC/DC 轉(zhuǎn)換 IC 的特性

　　一般地說，為能量收集應(yīng)用 （例如：WSN） 所接納和采用所需的必要 IC 性能特征包括：

　　l 低待機靜態(tài)電流 ── 通常小于 6μA，并可低至 450nA

　　l 低啟動電壓 ── 低至 20mV

　　l 高輸入電壓能力── 高達 34V （連續(xù)） 和 40V （瞬態(tài)）

　　l 能夠處理 AC 輸入

　　l 多輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

　　l 自動極性操作

　　l 針對太陽能輸入的最大功率點控制 （MPPC）

　　l 能夠從低至 1°C 的溫差收集能量

　　l 占板面積緊湊且外部組件極少的解決方案

　　在可替代能源所帶來的諸多發(fā)展機遇中，太陽能供電型電子設(shè)備市場是一個絕佳的例子。在各家公司都致力于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)增長的態(tài)勢。我們以智能電表為例。為了降低運行能源成本，部署在智能電網(wǎng)上的智能電表將很有可能由某種環(huán)境能量源來供電，而一種適用且豐富的能量源便來自太陽能。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，一個重要的目標是吸取盡可能多太陽能以對這些電池進行快速充電并保持其電荷狀態(tài)，從而在無法獲得太陽能的時候?qū)⑵溆米饕环N能量源。

　　反之，倘若智能電表采用電池作為其主電源，則電源轉(zhuǎn)換和管理電子組件在待機模式中將必需具有非常低的靜態(tài)電流，以延長電池的使用壽命。幸運的是，凌力爾特提供了眾多靜態(tài)電流水平通常低于 25μA 的 IC。

　　最先進和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù) （例如：振動能量收集和室內(nèi)光伏單元） 在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般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RF信號，或者幾乎任何其他能通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。

　　結(jié)論

　　所有面向綠色能源或能量收集的產(chǎn)品都將在今年及之后的時間里迎來成長機遇。出于對能源成本和環(huán)境問題的關(guān)注以及延長移動設(shè)備電池使用壽命的需要，業(yè)界對于包括智能電網(wǎng)在內(nèi)的眾多應(yīng)用的功率優(yōu)化均投入了巨大的精力開展相關(guān)的研發(fā)。此外，目前已有的高能效產(chǎn)品還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。所有這些因素使得設(shè)計師能夠開發(fā)和實現(xiàn)無需供電導(dǎo)線或電池的 WSN，并真正地充分利用我們周圍豐富的“免費”環(huán)境能源。