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所有這些能量收集的東西究竟意味著什么?

作者: 時間:2018-09-05 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

引言

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201809/388448.htm

便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無線傳感器節(jié)點 (WSN)  到采用數(shù)百瓦時電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),產(chǎn)品種類非常豐富。不過,盡管產(chǎn)品種類繁多,這一領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢卻比較集中,即:設(shè)計師所設(shè)計的產(chǎn)品不斷需要更大的功率,以支持日益增多的功能;設(shè)計師要求用任何可用電源都能給電池充電。第一種趨勢意味著增大電池容量。不幸的是,用戶常常沒有那么大的耐心,所以增大的容量必須能夠在合理的時間內(nèi)充完電,這又導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢需要電池充電解決方案具有極大的靈活性,因為這類解決方案需要應(yīng)對多種輸入電源和功率。

幸運的是,在功率范圍的低端,是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換需求,例如在 WSN 中常見和必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC  的能量收集系統(tǒng),這類系統(tǒng)處理非常小的功率和電流,可能分別是數(shù)十微瓦的功率和幾納安的電流。

最新的和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品,例如在振動能量收集和室內(nèi)光伏電池中使用的能量收集產(chǎn)品,在典型工作條件下,能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這種量級的功率看似有限,但是收集組件在很多年之中的運行意味著,就能量供應(yīng)和每能量單位的成本而言,能量收集產(chǎn)品與長壽命的主電池可以做到大致相似。此外,采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡之后再充電,而由主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點。不過,大多數(shù)情況下,會采用環(huán)境能源作為主電源,而用主電池補充環(huán)境能源,如果環(huán)境能源消失或受到干擾,就可以接通主電池。

能量收集 WSN

我們周圍有豐富的環(huán)境能源,傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過,新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外,重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率,而是“平均收集到”可用來給電路供電的能量之多少。例如,熱電發(fā)生器將熱  (或冷) 轉(zhuǎn)換成電,壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動,光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光  (或任何光源),通過化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電,或者給電容器、薄膜電池等存儲器件供電,這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電,而無需本地電源。

一般而言,在非傳統(tǒng)能源市場使用的 IC 必須具備的性能特點如下:

? 很小的備用靜態(tài)電流:一般情況下低于 6μA,最低可低至 450nA

? 很低的啟動電壓:低至 20mV

? 很強的輸入電壓能力:高達(dá) 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

? 能夠處理 AC 輸入

? 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理

? 自動極性工作

? 面向太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)

? 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

? 外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案

WSN 基本上是自含式系統(tǒng),由某種換能器組成,以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號,其后通常跟隨的是 DC/DC  轉(zhuǎn)換器和管理器,以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

在嘗試實現(xiàn) WSN 時,一個需要考慮的問題是:需要多少功率才能使該 WSN 運行?  理論上,這個問題似乎相當(dāng)簡單;然而,現(xiàn)實情況是,由于一些因素使這問題有點難以回答。例如,獲取讀數(shù)的頻度有多高? 或者,更重要的是,數(shù)據(jù)包會有多大?  數(shù)據(jù)需要傳送多遠(yuǎn)? 這是因為,就獲取一次傳感器讀數(shù)而言,收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見表  1。

表 1:影響 WSN 功耗特性的因素

當(dāng)然,能量收集能源提供的能量取決于該能源能存在多長時間。因此,比較能量收集能源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度,而不是能量密度。收集能量時一般會遇到很小、可變和不可預(yù)測的可用功率,因此常常采用混合結(jié)構(gòu),即連接收集器和輔助電力儲存庫的結(jié)構(gòu)。收集器由于能量供應(yīng)無限  (但功率不足) 而成為系統(tǒng)的能源。輔助電力儲存庫 (或者是電池或者是電容器)  能產(chǎn)生更高的輸出功率,但是存儲的能量較少,從而在需要時供電,否則定期接收來自收集器的電荷。因此,在沒有環(huán)境能源可供收集能量的情況下,必須用輔助電力儲存庫給  WSN  供電。當(dāng)然,從系統(tǒng)設(shè)計師的角度看,這進(jìn)一步增大了復(fù)雜程度,因為他們必須考慮,輔助電力儲存庫必須存儲多少能量才能補償環(huán)境能源的不足。而僅是需要儲存多少能量這個問題,就取決于幾種因素,包括:

I. 在多長時間內(nèi)沒有環(huán)境能源可用

II. WSN 的占空比 (即必須讀取和傳輸數(shù)據(jù)的頻度)

III. 輔助存儲庫 (電容器、超級電容器或電池) 的大小和類型

IV. 是否有足夠的環(huán)境能源可用,既能充當(dāng)主能源,又有充足的能量余留下來,以當(dāng)主電源在一段時間內(nèi)不可用時,給輔助存儲庫充電

環(huán)境能源包括光、熱量差、振動波束、所發(fā)送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表 2 說明了不同能源能夠產(chǎn)生之能量的多少。

表 2:各種能源以及這些能源能夠產(chǎn)生之能量的多少

在很多應(yīng)用中,這樣的功率值對系統(tǒng)部署都是有意義的。以下列舉幾個例子:

1) 飛機腐蝕傳感器

2) 汽車調(diào)光窗

3) 橋梁監(jiān)視器

4) 樓宇自動化

5) 電量計

6) 氣體傳感器

7) 健康監(jiān)視器

8) HVAC 控制

9) 電燈開關(guān)

10) 遠(yuǎn)程管道監(jiān)視器

11) 水表

非傳統(tǒng)能源帶來了很多機會,一個很好的例子是太陽能供電電子設(shè)備市場。隨著企業(yè)尋找各種降低能耗的方法,這個市場持續(xù)增長。例如,考慮一下智能電表。智能電表部署在智能電網(wǎng)上,而且由環(huán)境能源給智能電表供電很有利,可以降低運營能源成本。一種可行和充足的能源是太陽能。然而,由于太陽能的功率可變而且不可靠,幾乎所有太陽能供電設(shè)備都配備可再充電電池。因此,一個重要的目標(biāo)是,抽取盡可能多的太陽能,以給這些電池快速充電,并保持其充電狀態(tài),當(dāng)沒有太陽能可用時,就可將這些電池作為能源使用。

毫微功率 IC 解決方案

顯然,WSN  只有非常少的能量可用。這又意味著,系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對這么低的功率水平。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個問題,但是在電源轉(zhuǎn)換方面,仍然存在空白。不過,專門為了滿足這種需求,凌力爾特推出了  LTC3330,如圖 1 所示。

圖 1:LTC3330 能量收集器和電池壽命延長器

LTC3330 是一款完整的可調(diào)節(jié)能量收集解決方案,在可收集能量可用時,提供高達(dá) 125mA  的連續(xù)輸出電流,以延長電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時,該器件無需電池提供電源電流,而在無負(fù)載情況下用電池供電時,僅吸取 750nA  電流。LTC3330 集成了一個高壓能量收集電源,當(dāng)用主電池供電時,還有一個同步降壓-升壓型 DC/DC  轉(zhuǎn)換器,這樣就可為能量收集應(yīng)用提供一個不間斷的輸出,例如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那些能量收集應(yīng)用。


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