【導(dǎo)讀】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。
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。
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。二次儲能器（電池或電容）產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲的電能較少，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個或更多器件，具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流，這些會導(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)殡姵睾统夒娙萜鞔鎯υ潆姟?/p>
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變壓器的二次繞組上產(chǎn)生的交流電壓。這個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級別。利用內(nèi)部冷啟動電路，調(diào)節(jié)器可在低至380 mV的輸入電壓下啟動。冷啟動后，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。
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