作为一个“成熟”的传感器，你应该学会自己充电了

【导读】随着物联网的快速发展，越来越多的传感器需要被部署到各种环境中，包括人迹罕至的荒原、气候恶劣的高山、海洋中，而电池供电方案越来越不能满足需要。对此，工程师们希望能够设计出更加“成熟”的传感器，在保证稳定运行的情况下，不需要频繁维护和更换电池。于是，可以自供电的能量采集技术成为了实现这款“成熟”传感器的关键。

能源收集技术是通过收集环境中的微能量进行发电，拥有极高的便利性，使得传感器将不再需要麻烦的、昂贵的步骤，如更换、连接主要电池以及电池相关的维护。从某种意义上说，与“低功率”不同，该技术可以说是实现的“零功率”。

同时，这也使得市场对能源收集技术的预期很高，根据《无源物联网产业发展白皮书（2022）》指出，预计2025年前后，无源物联网的市场规模将在310-510亿元间，预测值中位数为410亿元。且在2025年，光能采集、振动能量采集以及温差能量采集三种技术路线的市场规模均为千万元级。

能源收集技术的出现使得传感器将不再需要麻烦的、昂贵的步骤，如更换、连接主要电池以及电池相关的维护。从某种意义上说，与“低功率”不同，该技术可以说是实现的“零功率”。

然而，如何将收集到的能量真正派上用场其实有极高的门槛，尤其是外围电子电路的设计上，例如提高发电使用效率的电源电路，用于信号收发的无线IC、微控制器和传感器。要知道能量收集源提供的电能由源运行的时长决定。比较回收能源的主要指标在于功率密度，而非能源密度。而能量收集一般会受较低、可变、不可预测的可用功率水平影响，所以通常使用混合结构，与收集器和二次储能器连接。另外，收集器可以提供无限量的电源但功率不足，是系统的能量来源。二次储能器（电池或电容）产生更高的输出功率，但存储的电能较少，可在需要时提供电源，并且需要定期从收集器接收充电。所以，在不存在环境能源，无法收集电能的环境中，必须使用二次储能器来为传感器供电。

典型能量收集系统的主要模块

在这个过程中，低能耗环境下消耗最少电能且稳定可用的低功耗微控制器和换能器至关重要。目前这种能量收集器模块的现有实施方法如上图所示。它们通常由低性能分立器件配置构成，一般包含30个或更多器件，具有低转换效率和高静态电流，这些会导致终端系统的性能降低。由于高静态电流限制了能量收集源的输出最低限制，所以在给输出提供额外功率之前，它必须先克服自身运行所需的电流电平。

不难看出，直到高效率、低功耗集成电路的出现，电源电路等设备功耗大幅降低，能量收集技术这才开始进入实用阶段。作为能源采集技术领域的专家，ADI提供多种面向能量收集应用的高性能和低功耗IC，能够将来自环境的微能量高效率转换为稳压电压或为电池和超级电容器存储元件充电。

LTC3109 是一款高度集成的DC-DC转换器和电源管理器。它可以从极低输入电压源收集剩余能量并进行管理，例如TEG、热电堆，甚至小型太阳能电池。其独特的专有自动极性变换拓扑使其能够使用低至30 mV的输入源进行操作，无论输入源是什么极性。

下图所示的电路使用两个紧凑型升压变压器将输入电压源升压来提供给LTC3109的输入，从而为无线检测和数据采集应用提供完整的电源管理解决方案。它可以收集较小的温度差并生成系统电源，而不是使用传统的电池电源。

LTC3109典型应用原理图

然后，使用外部充电泵电容和LTC3109内的整流器来提升和整流每个变压器的二次绕组上产生的交流电压。这个整流器电路将电流输入VAUX引脚，为外部VAUX电容充电、然后是其他输出充电。内部的2.2 V LDO控制器可以支持低功耗处理器或其他低功耗IC。

MAX20361原理图

MAX20361能够在诸多空间严重受限的产品中支持太阳能充电，提供能源补充，进而有效延长设备的运行时间。与最接近的竞争产品相比，这款太阳能采集器将方案尺寸缩小至少一半。此外，与最接近的竞争产品相比，MAX20361的升压效率提升多达5％，提高收集能量，同时结合其自我调整MPPT技术，进一步提高整体系统的工作效率。

主要优势包括最小尺寸，得益于器件本身的小尺寸优势，以及更小、更少的外部组件，为业界提供最小的太阳能收集方案；方案尺寸比最接近的竞争产品缩小至少50％。具高效率，高升压效率最大程度地提高能量收集，升压效率比最接近的竞争产品提高至少5％；自我调整MPPT技术与独特的能量收集电量计相结合，能够掌控实时效率以优化效能，进一步提高能量采集产能。

ADP5091原理图

ADP5091是一款智能集成式能量采集纳米电源管理解决方案，可转换来自PV电池或热电发生器(TEG)的直流电源。其提供有限采集能量（从16 μW到600 mW范围）的高效转换，工作损耗为亚μW级别。利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。通过检测输入电压，控制环路可将输入电压纹波限定在固定范围内，从而保持稳定的DC-DC升压转换。在OCV动态检测模式和非检测模式下，输入电压的编程调节点允许最大限度地提取采集器的能量。

随着数字化时代的来临，越来越多的企业开始采纳免电池的供电方案，在这个过程中能量采集技术是不可或缺的关键。此举不仅减少了污染物的产生，其节约的成本也非常可观。特别是在工业、农业、医疗等领域，物联网设备的快速增加势必会大量提高成本，而这种具备可持续性且拥有更高性价比的无源供电方案无疑更有优势，能帮助各行各业低成本完成数字化转型，进一步提高企业核心竞争力。

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