數(shù)據(jù)顯示，2019年全球物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量已達到107億臺，到2025年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達到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費用巨大。當設備安裝在偏遠位置時，更加大了維護電源的難度。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鍵
使用光伏技術作為使用室能量產(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)電池能量采集應用的管理解決方案，可轉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行充電，并對小型電子設備和無電池系統(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用。其額定結溫范圍為?40°C至+125°C，能夠很好地適應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
上圖為以太陽能板或者風力機為能源輸入到ADP5091系統(tǒng)架構，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定功能。設定電池放電到最低電壓時將ADP5091輸出關閉，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，同樣可進行熱能轉化?；跓犭姴牧系馁愗惪诵闷骷炔枯d流子運動實現(xiàn)熱能和電能直接相互轉換。當器件兩端存在溫差時，熱場驅動器件內的載流子定向運動，從而產(chǎn)生溫差電流。在實際的應用場景中，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用
以一個TEG來供電的無線傳感器應用為例（如上圖），2.2V LDO輸出負責給微處理器供電，而VOUT利用VS1和VS2引腳設置為3.3V，以給RF發(fā)送器供電。開關VOUT(VOUT2)由微處理器控制，以僅在需要時給3.3V傳感器供電。當VOUT達到其穩(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)振動能到電能的轉換，將振動能量收集器以懸梁臂的結構固定在振動源上，當產(chǎn)生機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。
振動機械能轉換為電能的方法有三種：電磁式 、靜電式、壓電式。其中，壓電式換能方式結構簡單，便于MEMS加工，能量采集密度大且無需啟動電壓，在實際應用中滿足嵌入式系統(tǒng)和無線傳感網(wǎng)絡的要求。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電路將振動源或應變源轉換為電源
上圖示出的電路采用了一個小型壓電換能器，用于將機械振動轉換為一個AC電壓電源，以饋入LTC3588-1的內部橋式整流器。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械振動源或應變源吸取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設計的簡易性，該器件還極大地簡化了能量收集鏈中難以完成的功率轉換設計。
總結
正如文章開篇所言，傳感器在難以進行電源配線和電池交換的情況下，將光、溫度、振動、電波轉換為電力的能量收集技術變得不可或缺。在實際的應用過程中，電源管理是利用好常見的環(huán)境能源的關鍵環(huán)節(jié)。針對室內外光、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用供電。
