作為一個(gè)“成熟”的傳感器，你應(yīng)該學(xué)會(huì)自己充電了

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，越來越多的傳感器需要被部署到各種環(huán)境中，包括人跡罕至的荒原、氣候惡劣的高山、海洋中，而電池供電方案越來越不能滿足需要。對此，工程師們希望能夠設(shè)計(jì)出更加“成熟”的傳感器，在保證穩(wěn)定運(yùn)行的情況下，不需要頻繁維護(hù)和更換電池。于是，可以自供電的能量采集技術(shù)成為了實(shí)現(xiàn)這款“成熟”傳感器的關(guān)鍵。

能源收集技術(shù)是通過收集環(huán)境中的微能量進(jìn)行發(fā)電，擁有極高的便利性，使得傳感器將不再需要麻煩的、昂貴的步驟，如更換、連接主要電池以及電池相關(guān)的維護(hù)。從某種意義上說，與“低功率”不同，該技術(shù)可以說是實(shí)現(xiàn)的“零功率”。

同時(shí)，這也使得市場對能源收集技術(shù)的預(yù)期很高，根據(jù)《無源物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書（2022）》指出，預(yù)計(jì)2025年前后，無源物聯(lián)網(wǎng)的市場規(guī)模將在310-510億元間，預(yù)測值中位數(shù)為410億元。且在2025年，光能采集、振動(dòng)能量采集以及溫差能量采集三種技術(shù)路線的市場規(guī)模均為千萬元級(jí)。

能源收集技術(shù)的出現(xiàn)使得傳感器將不再需要麻煩的、昂貴的步驟，如更換、連接主要電池以及電池相關(guān)的維護(hù)。從某種意義上說，與“低功率”不同，該技術(shù)可以說是實(shí)現(xiàn)的“零功率”。

然而，如何將收集到的能量真正派上用場其實(shí)有極高的門檻，尤其是外圍電子電路的設(shè)計(jì)上，例如提高發(fā)電使用效率的電源電路，用于信號(hào)收發(fā)的無線IC、微控制器和傳感器。要知道能量收集源提供的電能由源運(yùn)行的時(shí)長決定。比較回收能源的主要指標(biāo)在于功率密度，而非能源密度。而能量收集一般會(huì)受較低、可變、不可預(yù)測的可用功率水平影響，所以通常使用混合結(jié)構(gòu)，與收集器和二次儲(chǔ)能器連接。另外，收集器可以提供無限量的電源但功率不足，是系統(tǒng)的能量來源。二次儲(chǔ)能器（電池或電容）產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲(chǔ)的電能較少，可在需要時(shí)提供電源，并且需要定期從收集器接收充電。所以，在不存在環(huán)境能源，無法收集電能的環(huán)境中，必須使用二次儲(chǔ)能器來為傳感器供電。

典型能量收集系統(tǒng)的主要模塊

在這個(gè)過程中，低能耗環(huán)境下消耗最少電能且穩(wěn)定可用的低功耗微控制器和換能器至關(guān)重要。目前這種能量收集器模塊的現(xiàn)有實(shí)施方法如上圖所示。它們通常由低性能分立器件配置構(gòu)成，一般包含30個(gè)或更多器件，具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流，這些會(huì)導(dǎo)致終端系統(tǒng)的性能降低。由于高靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出最低限制，所以在給輸出提供額外功率之前，它必須先克服自身運(yùn)行所需的電流電平。

不難看出，直到高效率、低功耗集成電路的出現(xiàn)，電源電路等設(shè)備功耗大幅降低，能量收集技術(shù)這才開始進(jìn)入實(shí)用階段。作為能源采集技術(shù)領(lǐng)域的專家，ADI提供多種面向能量收集應(yīng)用的高性能和低功耗IC，能夠?qū)碜原h(huán)境的微能量高效率轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓電壓或?yàn)殡姵睾统?jí)電容器存儲(chǔ)元件充電。

LTC3109 是一款高度集成的DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源管理器。它可以從極低輸入電壓源收集剩余能量并進(jìn)行管理，例如TEG、熱電堆，甚至小型太陽能電池。其獨(dú)特的專有自動(dòng)極性變換拓?fù)涫蛊淠軌蚴褂玫椭?0 mV的輸入源進(jìn)行操作，無論輸入源是什么極性。

下圖所示的電路使用兩個(gè)緊湊型升壓變壓器將輸入電壓源升壓來提供給LTC3109的輸入，從而為無線檢測和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供完整的電源管理解決方案。它可以收集較小的溫度差并生成系統(tǒng)電源，而不是使用傳統(tǒng)的電池電源。

LTC3109典型應(yīng)用原理圖

然后，使用外部充電泵電容和LTC3109內(nèi)的整流器來提升和整流每個(gè)變壓器的二次繞組上產(chǎn)生的交流電壓。這個(gè)整流器電路將電流輸入VAUX引腳，為外部VAUX電容充電、然后是其他輸出充電。內(nèi)部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗處理器或其他低功耗IC。

MAX20361原理圖

MAX20361能夠在諸多空間嚴(yán)重受限的產(chǎn)品中支持太陽能充電，提供能源補(bǔ)充，進(jìn)而有效延長設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間。與最接近的競爭產(chǎn)品相比，這款太陽能采集器將方案尺寸縮小至少一半。此外，與最接近的競爭產(chǎn)品相比，MAX20361的升壓效率提升多達(dá)5％，提高收集能量，同時(shí)結(jié)合其自我調(diào)整MPPT技術(shù)，進(jìn)一步提高整體系統(tǒng)的工作效率。

主要優(yōu)勢包括最小尺寸，得益于器件本身的小尺寸優(yōu)勢，以及更小、更少的外部組件，為業(yè)界提供最小的太陽能收集方案；方案尺寸比最接近的競爭產(chǎn)品縮小至少50％。具高效率，高升壓效率最大程度地提高能量收集，升壓效率比最接近的競爭產(chǎn)品提高至少5％；自我調(diào)整MPPT技術(shù)與獨(dú)特的能量收集電量計(jì)相結(jié)合，能夠掌控實(shí)時(shí)效率以優(yōu)化效能，進(jìn)一步提高能量采集產(chǎn)能。

ADP5091原理圖

ADP5091是一款智能集成式能量采集納米電源管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來自PV電池或熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。其提供有限采集能量（從16 μW到600 mW范圍）的高效轉(zhuǎn)換，工作損耗為亞μW級(jí)別。利用內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動(dòng)。冷啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)器便可在80 mV至3.3 V的輸入電壓范圍內(nèi)正常工作。額外的150mA調(diào)節(jié)輸出可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程。通過檢測輸入電壓，控制環(huán)路可將輸入電壓紋波限定在固定范圍內(nèi)，從而保持穩(wěn)定的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換。在OCV動(dòng)態(tài)檢測模式和非檢測模式下，輸入電壓的編程調(diào)節(jié)點(diǎn)允許最大限度地提取采集器的能量。

隨著數(shù)字化時(shí)代的來臨，越來越多的企業(yè)開始采納免電池的供電方案，在這個(gè)過程中能量采集技術(shù)是不可或缺的關(guān)鍵。此舉不僅減少了污染物的產(chǎn)生，其節(jié)約的成本也非常可觀。特別是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速增加勢必會(huì)大量提高成本，而這種具備可持續(xù)性且擁有更高性價(jià)比的無源供電方案無疑更有優(yōu)勢，能幫助各行各業(yè)低成本完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，進(jìn)一步提高企業(yè)核心競爭力。