适合能量收集的有效振动

中心议题：

• 能量收集系统及技术
• 新型能量收集器应用方案

解决方案：

• 新型 LTC3588-1 压电能量收集电源

许多低功率工业传感器和控制器正在逐步转而采用可替代能源作为主要或辅助的供电方式。理想的状况是：此类收集的能量将完全免除增设有线电源或电池的需要。利用现成的物理电源 (例如：温差装置 [热电发生器或热电堆]、机械振动 [压电或机电装置] 和光 [光伏器件]) 来产生电力的换能器正在成为诸多应用的适用电源。众多的无线传感器、远程监视器和其他低功率应用正逐渐发展成为只使用收集能量和接近“零”功率 (常被有些人称为“毫微功率”) 的设备。

虽然“能量收集”自 2000 年初就出现了 (当时为其萌芽期)，但只是凭借近期的技术发展才将其推进至商业化阶段。简而言之，2010 年我们处在一个转折点并将迎来其“成长”阶段。运用能量收集技术的楼宇自动化传感器应用已经在欧洲得到推广，这表明其增长阶段也许已经开始。

现有的应用证实了能量收集的商业可行性

尽管能量收集的概念广为人知已有多年，但在某种真实环境中实现一个系统却很麻烦、复杂和昂贵。不过，有些市场已经采用了能量收集方法，其中包括运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测，而迄今为止最大的市场便是楼宇自动化。就楼宇自动化而言，诸如人体感应传感器、温度自动调节器和光开关等系统能够免除通常所需的电源或控制线路，而代之以一种机械或能量收集系统。

同样，运用能量收集技术的无线网络能够将一幢建筑物内任意数目的传感器连接起来，以通过在建筑物内无人的情况下切断非必要区域的供电来降低采暖、通风和空调 (HVAC) 以及照明成本。此外，能量收集电子线路的成本常常低于使用电源线路的成本，因此，选用收集电能技术显然会有经济上的收益。

典型的能量采集系统或无线传感器节点 (WSN) (由图 1 所示的 4 个主要的电路系统模块来表示) 通常包括一种免费能源，比如：连接在某个振动机械源 (如 HVAC 管道或窗玻璃) 上的压电换能器。这些小型压电器件能够将很小的振动或应变差转换为电能。该电能随后可由一个能量收集电路 (图 1 中的第二个模块) 进行转换并被变更为一种可用的形式，用于给下游电路供电。这些下游电子线路通常将包括某种类型的传感器、模数转换器和一个超低功率微控制器 (图 1 中的第三个模块)。上述元件可以获取该收集能量 (如今以电流的形式存在) 并唤醒一个传感器，以获得一个读数或测量结果，然后使该数据可通过一个超低功率无线收发器 (由图 1 所示电路链中的第四个模块来表示) 进行传输。
 

 
 免费能源         能量收集器/管理器    传感器、A/D、微控制器     无线发送器 / 接收器

图 1：典型能量采集系统的四个主要模块

有几种因素影响能量收集系统或 WSN 的功耗特性。表 1 概要罗列了这些因素。

表 1：影响无线传感器节点功耗的因素

 

当然，由能量收集源所提供的能量取决于它处于操作状态的时间。因此，比较环境采集能量源的主要度量标准是功率密度，而不是能量密度。能量收集通常遇到的是低、易变和不可预知的可用功率等级，因而采用了一种与能量收集器和一个辅助电能储存器相连的混合结构。能量收集器因其不受限制的能量供应和功率方面的欠缺而成为系统的能量源。辅助电能储存器 (一个电池或一个电容器) 可产生较高的功率，但储存的能量较少，它在需要的时候供电，而在除此之外的其他情况下则定期从收集器接收电荷。

最先进和现成可用的能量收集技术 (例如：振动能量收集和室内光生伏打技术) 在典型工作条件下能产生毫瓦量级的功率。虽然这么低的功率可能看似很有限，但是若干年来收集组件的工作可以说明，无论就能量供应还是就所提供的每能量单位成本而言，这种技术大体上与长寿命的主电池相当。除此之外，运用能量收集的系统一般能在电能耗尽之后重新充电，而这一点主电池供电的系统是做不到的。

正如已经讨论的那样，环境能量源包括光、热差、振动波束、发射的 RF 信号，或者几乎任何其他可通过换能器产生电荷的能量源。下面的表 2 列出了从不同的能量源可产生多少能量。
 

表 2：能量源及其所能产生的能量值

要成功设计一款完全独立的无线传感器系统，需要稳定供货的节电型微控制器和换能器，并要求这些器件最低限度地消耗来自低能量环境的电能。图 1 中，每个电路系统模块 (能量源本身或许是个例外) 都特有一组迄今为止有损于其商业可行性的约束条件。低成本和低功率传感器及微控制器面市已有几年的时间；然而，超低功率收发器只是最近才刚刚提供商用产品。不过，该链路中处于落后状态的则一直是能量收集器。

现有的能量收集器模块实现方案往往采用低性能和复杂的分立型结构，通常包括 30 个或更多的组件。此类设计转换效率低，静态电流高。这两个不足之处均导致最终系统的性能受损。低转换效率将增加系统上电所需的时间，反过来又延长了从获取一个传感器读数至传输该数据的时间间隔。高静态电流则对能量收集源的输出能达到的最低值有所限制，因为它必须首先提供自己工作所需的电流，多出来的功率才能提供给输出。

新型压电能量收集器

迄今为止，业界所缺少的一直是能收集和管理来自振动源或应变源的压电能量、并具有低损耗全波桥式整流器的高集成度、高效率 DC/DC 降压型转换器。不过，凌力尔特推出的新型 LTC3588-1 压电能量收集电源极大地简化了从此类能源收集剩余能量的工作。

LTC3588-1 是一款完整的能量收集解决方案，专为包括压电式换能器在内的低能量源而优化。压电器件通过器件的挤压或挠曲产生能量。视其尺寸和构造的不同，这些压电元件能产生几百 μW/cm2 的功率。

图 2：LTC3588 的典型应用原理图

应该指出的是：压电效应是可逆的，即呈现直接压电效应 (一加上压力就产生电位) 的材料也呈现反向压电效应 (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传感器及其他的高输出阻抗能量源。其高效率降压型 DC/DC 转换器可提供高达 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 种固定电压之一 (1.8V、2.5V、3.3V 或 3.6V)，以向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 专为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存储收集到的能量而设计，同时通过一个内部并联稳压器消耗过多的功率。具 1V ~ 1.4V 迟滞窗口的超低静态电流 (450nA) 欠压闭锁 (UVLO) 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存储的电荷传送至输出为止。

结论

由于拥有模拟开关模式电源设计专长的人员在全球都处于短缺的局面，因此要想设计出如图 1 所示的高效能量收集系统一直是很困难的事。不过，随着具有集成型低损耗全波桥式整流器的压电能量收集电源LTC3588-1的推出，这种状况即将发生改变。这款革命性的器件能够从几乎所有的机械振动源或应变源提取能量。此外，凭借其全面的功能组合以及设计的简易性，该器件还极大地简化了能量收集链中难以完成的功率转换设计。对于系统设计师而言这是个好消息，因为此类“有效振动”可用于为其能量收集系统供电，而无须去应付传统的配置难题。