無線傳感器有一個新興且潛在的巨大市場。通過他們的 自然，無線傳感器被選擇用于難以接近的地方，或用于應用 這需要大量的傳感器，數量太多，無法輕松硬連線到數據網絡。在 在大多數情況下，這些系統使用原電池是不切實際的。例如 需要有一個用于監控肉類運輸溫度的傳感器 以防篡改方式安裝。或者，安裝在每個源上的 HVAC 傳感器 空調空氣分布太分散，無法使用電池。在這些應用中， 能量收集可以解決在沒有原電池的情況下提供電力的問題。

僅靠能量收集通常不會 產生足夠的功率以連續 運行傳感器-變送器 — 能量 收獲可以產生約1mW-10mW， 其中有源傳感器變送器 組合可能需要100mW–250mW。 收集的能量必須在以下情況下儲存 可能，可供傳感器/變送器使用， 必須在占空比下運行 不超過能量存儲 系統的功能。同樣， 傳感器/變送器可能需要工作 在沒有收獲能量的時候。

最后，如果存儲的能量耗盡 并且系統將關閉， 系統可能需要進行內務管理 任務第一。這可能包括關機 消息，或將信息存儲在 非易失性存儲器。因此，重要的是 持續測量可用能量。

完整的能量收集系統

圖 1 顯示了完整的系統實現 采用 LTC3588-1 能量 收割器和降壓穩壓器 IC、兩個 LTC4071 并聯電池充電器、兩個 通用電池 GMB301009 8mAh 電池 和模擬傳感器變送器 建模為 12.4mA 負載，負載為 1% 占空比。LTC3588-1 包含一個 極低漏電橋式整流器 輸入為 PZ1 和 PZ2，輸出為 V在和GND。 V在也是輸入功率 用于極低的靜態電流降壓 調節器。降壓轉換器的輸出電壓 穩壓器由D1和D0設定為3.3V。

圖1.完整的基于壓電的能量收集系統獨立于電網。該設計使用薄膜電池為無線傳感器發射器收集壓電收集的能量，該發射器在1%占空比下工作。

LTC3588 由一個高級 Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電換能器，能夠 產生最大12mW。 在我們的實施中，PFCB-W14 提供約2mW的功率。

LTC?4071 是一款并聯電池充電器 具有可編程浮動電壓和 溫度補償。浮子 電壓設置為4.1V，具有容差 浮動電壓為 ±1%，產生 最大 4.14V，安全低于 電池上允許的最大浮動。 LTC4071 還可檢測溫度 電池通過NTC信號和 降低高溫下的浮動電壓 以最大限度地延長電池使用壽命。

LTC4071 能夠分流 內部 50mA。然而 當電池低于浮子時 電壓，LTC4071 僅消耗 來自電池的電流~600nA。

通用電池GMB301009電池 容量為8mAh和一個 內部串聯電阻為~10Ω。

模擬的傳感器變送器是 基于微芯片 PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 標準 802.15.4 無線電。收音機抽取 發射端為23mA，接收端為18mA。 該模型將其表示為12.4mA， 0.98% 占空比 （2ms/204ms） 負載， 設置自定時數字計時器和 一個開關 267Ω 電阻的 MOSFET

操作模式

該系統有兩種操作模式： 充電-發送和放電-發送。 在充電-發送模式下， 電池充電時 傳感器變送器呈現 0.5% 負荷。放電時，傳感器變送器 正在運行，但沒有能量 正在從PFCB-W14中收獲。

充電發送

當PFCB-W14處于活動狀態時，可提供 平均功率約為 9.2V × 180μA ≈ 1.7mW。可用的 電流必須為電池充電，并且 操作降壓穩壓器驅動 模擬傳感器變送器。活躍的 傳感器-變送器吸收 12.4mA 電流× 3.3V ≈ 41mW，大約1%的時間，或大約 平均0.41mW，留下一些電流 為電池充電。考慮到 LTC85降壓型穩壓器的 3588% 效率， 假設平均值為 V在9.2V（參見 圖 2），降壓靜態電流 8μA，平均消耗的電流 不給電池充電的系統是：

圖2.使用傳感器-變送器負載充電。

收集的能量可以驅動傳感器變送器 占空比為 0.5% 時， 剩余約 120μA 電流為電池充電。 GMB301009 電池具有 容量為8mAh，所以他們完全 在大約 75 小時內從空充電。

放電-發送

當 PFCB-W14 無法輸送時 功率，電壓在 V在下降到 大約：

所以反射負載電流計算 更改為：

降壓穩壓器的靜態電流 更高，因為調節器 必須更頻繁地切換以調節從 7.5V與9.2V。78μA，無能量 收獲后，電池放電 約115小時。這表明 充電存儲容量為>8.95mAh。 這些電池當全新的可以 多存儲約12%的電量 比評級。

一個更嚴重的問題是會發生什么 當電池完全放電時。如果 在充電狀態后消耗電流 達到零，電池電壓下降 低于2.1V，電池永久 破。因此，應用程序必須 確保電池電壓永不下降 低于此限制。因此，電池 截止電壓設置為 2.7V 或 3.2V 至 確保電池中保留一些能量 斷開電路接合后。

只需停止變送器或 斷開負載不會保護 電池，如 LTC4071 所消耗 靜態電流近似值 600nA。雖然這個值極低， 總負載，包括 LTC3588-1， 接近 2μA。電池完全放電 只能提供大約 電壓下降前 100μA 足以損壞電池。

斷開電路是必要的，以確保 電池不會在 合理的時間。The LTC4071 提供內部低電量斷接 電路。這個斷開電路是 測量可提供 <2nA 的電池負載 在室溫下激活時。 這種泄漏通常由 印刷電路板泄漏。僅 2nA 電池 漏電流，電池可以存活 斷開連接 50，000 小時 電池損壞前的狀態。

在圖3中，第二節電池 （BAT2） 被認為斷開連接 50 小時 在BAT1之后由于2μA負載。

圖3.電池欠壓斷開時放電。

測量結果

圖1所示系統為 在兩種操作模式下測量 放電-發送（圖 3）和 充電發送（圖4）。

圖4.充電時電池斷開恢復。

放電-發送

在圖 3 中，兩個電池 BAT1、BAT2 和 VBUCK 的電壓與時間的關系圖，電池提供所有系統能量，沒有來自 PFCB-W14 壓電。

電池緩慢放電，直到 BAT1 激活其 LTC4071 的 LBO 門限，然后斷接電路激活 BAT1 并將其與除 LTC4071 本身之外的所有電路斷開。這會導致 LTC3588 的 VIN 處的電壓降至穩壓器的 UVLO 以下，并且穩壓器關斷。

BAT2 上的負載是 LTC4071 和 LTC3588 的 2μA 靜態電流。這個小負載使 BAT2 緩慢放電，直到 LTC4071 的低電池斷接被激活并且 BAT2 被斷開。

充電發送

當 PFCB-W14 再次開始向系統供電時，VIN 上升至 7V，這會正向偏置 LTC4071 中斷接 FET 的體二極管。這將為電池充電，直到達到重新連接閾值，從而允許重新連接電池 BAT1 和 BAT2。如圖4所示，VIN處的電壓驟降至電池組電壓。

由于 VIN 上的電壓現在為 VBAT1 + VBAT2 + （180μA × 15k） = 6.2V，因此 LTC3588 上的降壓型穩壓器重新啟動，3.3V 再次可用。

結論

通過一些易于使用的組件， 可以構建一個完整的緊湊型 能量收集動力子系統 用于無線傳感器發射器。 在這個特殊的系統中，壓電 傳感器間歇性供應 電力，而兩塊電池儲存能量 供傳感器變送器使用。一 集成隔離開關保護 電池過放電。

該系統可以為電池充滿電 在 75 小時內，即使在操作 占空比為 0.5% 的傳感器變送器。

電池允許系統繼續 操作傳感器變送器 在 0.5% 占空比下持續 115 小時后 PFCB-W15 停止供電。如果 需要更長的電池工作時間， 傳感器-變送器占空比可以是 減少以適應這種需求。

審核編輯：郭婷