基于能量收集器的無線電源設計

引言

　　超低功率微控制器的近期發展造就了具有空前集成度的器件（對于其運作所需的功率而言）。這些器件是片上系統，采用了新銳節能方案（例如關斷電路進入空閑狀態）。事實上，運行這些器件所需的功率非常之低，以至于許多傳感器逐步實現了無線化，因為它們可以方便地通過電池來供電。不幸的是，電池必須定期更換，這種維護工作既費錢又費事。而從傳感器的局部環境中采集環境機械能、熱能或電磁能則有可能是一種更為有效的無線電源解決方案。

　　圖1所示的LTC3588－1是一款完整的能量收集解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優化。它內置了一個低損耗全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器，用于將能量從一個輸入存儲器件傳輸至輸出，以產生一個可支持高達100mA負載的穩定電壓。LTC3588－l采用10引腳MSE封裝和3mmx 3mm DFN封裝。

圖1：專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優化的完整能量收集解決方案

　　環境能量源

　　環境能量源包括光、溫差、振動梁、射頻（RF）發射信號或任何其他能夠通過某種換能器產生電荷的信號源。例如：

　　·人們采用小型太陽能電池板為手持式電子設備供電已有多年，此類電池板在陽光直射和間接光照射的情況下能夠分別產生幾百mW／cm2和幾百；uW／cm2的功率密度。

　　·當存在溫度梯度時9塞貝克（Seebeck）器件可將熱能轉換為電能°熱能量源多種多樣，從體熱（可產生幾十pW／cm2的功率密度）到鍋爐排氣煙囪（其表面溫度能產生幾十mW／cm2的功率密度）各不相同。

　　·壓電器件可通過器件的壓縮或彎曲而產生能量。壓電元件能夠產生幾百pW／cm2的功率密度（取決于其尺寸和結構）。

　　·RF能量收集由天線來完成9可產生幾百pW／cm2的功率密度。

　　要成功地設計完整的獨立型無線傳感器系統，就需采用節能型微控制器和傳感器，它們消耗極少電能，可從低能量環境獲取能量。目前，這兩類器件在市面上都很容易獲得，而所缺失的一環則是能夠將傳感器輸出轉換為一個可用電壓的高效功率轉換產品。

　　圖2示出了一款能量收集電源系統，它包括能量源／傳感器、一個能量儲存元件和一種用于將該儲能轉換為一個可用穩定電壓的設各。另外，在換能器和能量儲存元件之間或許還需要布設一個電壓整流器網絡。用于防止能量回饋至傳感器中，或在采用壓電器仵的情況下負責對AC信號進行整流。

圖2：能量收集系統紐件

　　應用實例

　　對于在DO和D1輸入引腳上設定的特殊輸出電壓，LTC3588-1要求傳感器的輸出電壓高于欠壓閉鎖上升門限限值°為了實現能量傳輸的最大化，換能器必須具有一個兩倍于輸入工作電壓的開路電壓、以及一個兩倍于所需輸入電流的短路電流。這些要求必須在信號源的最小激勵電平條件下滿足，以實現連續輸出功率。