數(shù)據(jù)顯示，2019年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量已達(dá)到107億臺，到2025年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)到251億臺。隨著全球物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，傳感器也迎來巨大發(fā)展空間。作為物聯(lián)網(wǎng)最底層的組成部分，傳感器是數(shù)據(jù)采集的入口，被譽(yù)為物聯(lián)網(wǎng)的“心臟”。然而，在物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)與不斷推進(jìn)下傳統(tǒng)傳感器的諸多制約因素也愈發(fā)凸顯，尤其是供電方式的問題。
目前，全球約有1-2億個傳感器節(jié)點，主要用電池實現(xiàn)供電，而人工換電池的維護(hù)費用巨大。當(dāng)設(shè)備安裝在偏遠(yuǎn)位置時，更加大了維護(hù)電源的難度。因此，如何給龐大數(shù)量的傳感器供電是一個巨大的挑戰(zhàn)。相反，如果傳感器利用光、振動或溫度等環(huán)境能源通過能量收集技術(shù)獲取能量，供電問題則能夠得到有效的解決。本文以ADI電源管理IC為例，圍繞幾種常見的環(huán)境能量收集類型，探討適合物聯(lián)網(wǎng)傳感器幾種供電模式。
捕獲高能量太陽光，追蹤不同照度最大功率是關(guān)鍵
使用光伏技術(shù)作為使用室能量產(chǎn)生的手段是常見的，因為在太陽光具有高能量含量。ADI公司推出的ADP5091/92是一款面向光伏(PV)電池能量采集應(yīng)用的管理解決方案，可轉(zhuǎn)換來自光伏電池或熱電發(fā)生器(TEG)的直流電源。該器件可對儲能元件進(jìn)行充電，并對小型電子設(shè)備和無電池系統(tǒng)上電。
ADP5091主要用于直流輸入從80mV到3.3V。直流輸入可重復(fù)充電的電池種類可以是鋰電池/磷酸鋰鐵電池/超級電容等，這些電池電壓從3.2V到5V都有，ADP5091的充電截止電壓為2.2V到5.2V，完全可以滿足目前市場上常用的電池種類及應(yīng)用。其額定結(jié)溫范圍為?40°C至+125°C，能夠很好地適應(yīng)各種惡劣的戶外天氣環(huán)境。
以太陽能板為能源輸入的ADP5091系統(tǒng)架構(gòu)
上圖為以太陽能板或者風(fēng)力機(jī)為能源輸入到ADP5091系統(tǒng)架構(gòu)，因為太陽能在不同照度下會有各自的最大功率點，因此ADP5091內(nèi)部將最大功率點追蹤，也就是把MPPT視為一個重要的特性，并且通過ADP5091將能源儲存至磷酸鋰鐵電池。此方案使用的磷酸鋰鐵電池電壓為3.2伏，容量為2400mAh。同時，ADP5091有監(jiān)控電池電壓的功能，以及對電池充電至飽合時截止電壓的可設(shè)定功能。設(shè)定電池放電到最低電壓時將ADP5091輸出關(guān)閉，這樣的功能主要是避免電池不必要的損壞，并且可以延長電池的使用壽命。
與低輸入電壓源不期而遇，熱電能量需要這種收集器
溫度是到目前為止被檢測最多的物理變量，同樣可進(jìn)行熱能轉(zhuǎn)化。基于熱電材料的賽貝克效應(yīng)，利用器件內(nèi)部載流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)器件兩端存在溫差時，熱場驅(qū)動器件內(nèi)的載流子定向運動，從而產(chǎn)生溫差電流。在實際的應(yīng)用場景中，可能會遇到如熱電堆甚至小型太陽能電池板等極低的輸入電壓源，ADI LTC3109就很好的解決了超低輸入電壓應(yīng)用的能量收集問題。
LTC3109提供了一款緊湊、簡單和高度集成的單片式電源管理解決方案，能在輸入電壓低至20mV的情況下正常運作。憑借這種獨特的能力，LTC3109可利用一個熱電發(fā)生器(TEG)來為無線傳感器供電，并從小至1°C的溫度差(ΔT)收集能量。采用一個現(xiàn)成有售的小型(6mmx6mm)升壓變壓器和少量的低成本電容器，該器件即可提供用于給當(dāng)今的無線傳感器電子線路供電所需的穩(wěn)定輸出電壓。
由一個TEG來供電的無線傳感器應(yīng)用
以一個TEG來供電的無線傳感器應(yīng)用為例（如上圖），2.2V LDO輸出負(fù)責(zé)給微處理器供電，而VOUT利用VS1和VS2引腳設(shè)置為3.3V，以給RF發(fā)送器供電。開關(guān)VOUT(VOUT2)由微處理器控制，以僅在需要時給3.3V傳感器供電。當(dāng)VOUT達(dá)到其穩(wěn)定值的93%時，PGOOD輸出將向微處理器發(fā)出指示信號。為了在輸入電壓不存在時保持運作，在后臺從VSTORE引腳給0.1F存儲電容器充電。這個電容器可以一路充電至高達(dá)VAUX并聯(lián)穩(wěn)壓器的5.25V箝位電壓。如果失去了輸入電壓電源，那么就自動地由存儲電容器提供能量，以給該IC供電，并保持VLDO和VOUT的穩(wěn)定。
簡化振動能量收集，你需要新型壓電式器件
振動機(jī)械也普遍存在能自然環(huán)境中，受外界條件限制較少且能量密度大，因此在微能量采集技術(shù)中是一種比較好的選擇，也是無線傳感器替代能源的理想之選。在實現(xiàn)原理方面，振動能量收集器通常采用壓電材料實現(xiàn)振動能到電能的轉(zhuǎn)換，將振動能量收集器以懸梁臂的結(jié)構(gòu)固定在振動源上，當(dāng)產(chǎn)生機(jī)械振動時壓電晶體發(fā)生形變，在回路中產(chǎn)生電流，隨著振動方向的變化，電流的方向也跟著改變。
振動機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的方法有三種：電磁式 、靜電式、壓電式。其中，壓電式換能方式結(jié)構(gòu)簡單，便于MEMS加工，能量采集密度大且無需啟動電壓，在實際應(yīng)用中滿足嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的要求。LTC3588-1正是一款壓電式能量收集電源，它的出現(xiàn)極大地簡化了從振動能源收集剩余能量的工作。
LTC3588-1電路將振動源或應(yīng)變源轉(zhuǎn)換為電源
上圖示出的電路采用了一個小型壓電換能器，用于將機(jī)械振動轉(zhuǎn)換為一個AC電壓電源，以饋入LTC3588-1的內(nèi)部橋式整流器。它能夠收集小的振動能源并生成系統(tǒng)電源，而沒有使用傳統(tǒng)的電池電源?？傮w來看，LTC3588-1這款革命性器件能夠從幾乎所有的機(jī)械振動源或應(yīng)變源吸取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設(shè)計的簡易性，該器件還極大地簡化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計。
總結(jié)
正如文章開篇所言，傳感器在難以進(jìn)行電源配線和電池交換的情況下，將光、溫度、振動、電波轉(zhuǎn)換為電力的能量收集技術(shù)變得不可或缺。在實際的應(yīng)用過程中，電源管理是利用好常見的環(huán)境能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對室內(nèi)外光、溫度梯度、振動以及其他多種能量源，ADI提供了豐富的電源管理IC供用戶選擇，提供簡單和有效的電源管理解決方案，能實現(xiàn)各種能量的收集為無線傳感器和其他低功率應(yīng)用供電。
