原创 【TI博客大赛】有源标签，节点的能量采集　（原创）

能量收集的概念已经出现超过10年了，然而在现实环境中，由环境能源供电的系统一直很笨重、复杂和昂贵。不过，有些市场已经成功地采用了能量收集方法，如交通运输
基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测和楼宇自动化市场。尤其是在楼宇自动化系统中，诸如占位传感器、自动调温器甚至光控开关等，以前安装时通常使用的电源或控制配线，现在已经不需要了，取而代之是，它们采用了局部能量收集系统。能量收集系统的一个主要应用是楼宇自动化系统中的无线传感器。
为方便说明，我们考虑一下美国能源使用的分布情况。建筑物每年都是能源生产的头号用户，约占总能耗的38%，紧随其后的是交通运输和工业领域，各占总能耗的28%。此外，建筑物可以进一步分成商用建筑和民用建筑，在这38%的能耗中，分别分得17%和21%。而民用建筑21%的能耗数字还可以进一步划分，其中取暖、通风和空调（HVAC）约占民能耗的3/4。目前预计，从2003年从一开始就优先电源管理需求

到2030年，能源使用量将翻一番，依此推算，采用楼宇自动化系统可以节省多达30%的能源（数据来源：“全球能源、科技和气候政策展望（WETO）”，由欧盟多个研究机构联合撰写）。类似地，一个采用能量收集方法的无线网络可以将一栋大楼中任何数量的传感器连接起来，以在非主要区域的大楼或房间中没人时，调节该区域的温度或关掉该区域的照明灯，从而降低HVAC和电力费用。此外，能量收集电子线路的成本常常低于布设
电源线的成本或更换电池所需的日常维护成本，因此用收集的能量供电之方法，显然有经济收益。
不过，如果每个节点都需要自己的外部电源，那么很多无线传感器网络就失去了优势。尽管电源管理技术确实在持续发展，已经使电子电路能在给定电源情况下工作更长时间，但这是有限度的，而用收集的能量供电提供了一种补充方法。因此，能量
收集通过将局部环境能源转换成可用的电能，成为一种给无线传感器节点供电的方法环境能源包括光、温差、振动波束、已发送RF信号或能通过换能器产生电荷的任何能源。这些能源在我们周围到处都是，利用合适的换能器，如面向温差的热电发生器（TEG）、面向振动的压电组件、面向太阳光（或室内照明光）的光伏电池等，可将这些能源转换成电能，甚至可以利用潮湿气体产生的电能。这些所谓的“免费”能源可用来自主地给电子组件和系统供电。现在所有无线传感器节点都能以微瓦级平均功率工作，因此用非传统电源给它们供电是可行的。这导致了能量收集的出现，在使用电池不方便、不现实、昂贵或危险的系统中，可用能量收集提供的电力给电池充电、补充或代替电池。用收集的能量供电，还可以不再需要导线来供电或传送数据。此外，工业过程、太阳能电池板或内燃机产生的能量也可以收集起来使用，否则就浪费掉了。

环境射频能量如今可以从全球数十亿个无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。除了环境射频能量外，还有一种方式是使用专门的发射器发送功率，这能使无线电源系统提供更高的性能。在许多应用中这是首选的解决方案，但成本比较高。政府法规一般将使用免许可频带的无线电设备输出功率限制为4W有效全向辐射功率(EIRP)，就像射频标签(RFID)询问器那样。作为对比，基于模拟技术的早期移动电话的最大发射功率为3.6W，而Powercast公司的新款TX91501发射器功率为3W。

 

环境射频能量如今可以从全球数十亿个无线发射器获得，包括移动电话、手持无线电设备、移动基站以及电视/无线广播台等。捕获这类能量的能力有助于创建新的无电池设备，并允许电池供电设备通过无线方式实现点滴式充电。除了环境射频能量外，还有一种方式是使用专门的发射器发送功率，这能使无线电源系统提供更高的性能。在许多应用中这是首选的解决方案，但成本比较高。政府法规一般将使用免许可频带的无线电设备输出功率限制为4W有效全向辐射功率(EIRP)，就像射频标签(RFID)询问器那样。作为对比，基于模拟技术的早期移动电话的最大发射功率为3.6W，而Powercast公司的新款TX91501发射器功率为3W。

Linear公司的能量收集方案

 

LTC3109就低至30mV 的输入电压而言，推荐使用主- 副匝数比约为1:100 的变压器。就更高的输入电压而言，可用更低的匝数比来获得更大的输出功率。这些变压器是标准、现成有售的组件，而且诸如Coilcraft 等磁性元件
供应商可稳定供货。LTC3109 采用一种“系统级”方法来解决复杂问题。它转换低压源，并管理多个输出之间的能量。用LTC3109 外部的充电泵电容器和内部的整流器对每个变压器副端绕组上产生的AC 电压升压并整流。该整流器电路将电流馈送进VAUX 引脚，从而向外部VAUX 电容器、然后是其他输出供电。内部2.2V LDO 可以支持低功率处理器或其他低功率IC。该LDO 由VAUX 和VOUT 二者之间较高的一个供电。这使它能在VAUX 一充电到2.3V 就能有效运行，同时VOUT存储电容器仍然在充电。倘若LDO 输出上有阶跃负载，那么如果VAUX 降至低于VOUT，电流就可能来自主VOUT 电容器。该LDO 能提供3mA 输出电流。VSTORE 电容器也许值非常大（数千微法甚至数法拉），以在输入电源可能掉电时保持供电。一旦加电完成，那么主输出、备份输出和开关输出都可用。如果输入电源发生故障，那么仍然可以利用VSTORE 电容器的供电继续运行。LTC3588-1 是一款完整的能量收集解决方案，为包压电换能器在内的低能量电源而优化。压电器件通过器件的挤压或挠曲产生能量。视尺寸和构造的不同而不同，这些压电元件可以产生数百uW/cm2 的能量。应该提到的是，压电效应是可逆的，即展现直接压电效应（一加上压力就产生电位）的材料也展现反向压电效应（一加上电压就产生压力和/ 或应力，即挠曲）。

LTC3588-1 在2.7V 至20V 的输入电压范围内工作，从而非常适用于多种压电换能器以及其他高输出阻抗能源。其高效率降压型DC/DC 转换器提供高达100mA 的连续输出电流或者甚至更高的脉冲负载。其输出可以设定为4 个固定电压（1.8V、2.5V、3.3V 或3.6V）之一，以给无线发送器或传感器供电。输出处于稳定状态（无负载）时，静态电流仅为950nA，从而最大限度地提高了总体效率。LTC3588-1 用来直接与压电或可替代高阻抗AC 电源连接、给电压波形整流以及在外部存储电容器中储存收集到的能量，同时通过一个内部并联稳压器消耗过多的功率。具1V 至1.4V 迟滞窗口的超低静态电流（450nA）
欠压闭锁（ULVO）模式使电荷能在存储电容器上积累，直到降压型转换器能高效率地将部分储存的电荷传送到输出为止。LTC3105 是一款超低电压升压型转换器和LDO，专门用来极大地简化从低压、高阻抗可替换电源收和管理能量的任务，如光伏电池、热电发生器（TEG）、燃料电池等电源。其同步升压型设计以低至250mV 的输入电压启动，从而使该器件非常适用于在不够理想的照明条件下，从甚至最小的光伏电池收集能量。其0.2V 至5V 的宽输入电压范围使该器件成为多种应用的理想选择。集成的最大功率点控制器（MPPC）使LTC3105 能抽取电源能所提供的最大可用功率。如果没有 MPPC，电源能产生的功率仅为理论最大值的一小部分。峰值电流限制自动调节，以最大限度地提高电源转换效率，同时突发模（BurstMode®）工作将静态电流降至仅为22uA，从而最大限度地降低了能量储存元件的漏电流。超低IQLDO 能直接给流行的低功率微控制器或传感器电路供电。如果没有MPPC，电源转换器能产生的功率仅为理论最大值的一小部分。峰值电流限制自动调节，以最大限度地提高电源转换效率，同时突发模（BurstMode®）工作将静态电流减小至仅为22μA，从而最大限度地降低了能量储存元件的漏电流。超低IQLDO 能直接给常用的低功率微控制器或传感器电路供电。