【導(dǎo)讀】為了能夠從遠(yuǎn)程位置捕獲數(shù)據(jù)，專為物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 而開發(fā)的傳感器節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)盡可能長的電池續(xù)航時(shí)間。 理想的情況是，完全不需要使用電池，因?yàn)槭褂秒姵貢瓜到y(tǒng)管理變得復(fù)雜很多，需要向交通不方便的地方運(yùn)送電池，進(jìn)而產(chǎn)生高昂的運(yùn)輸費(fèi)用。
相反，系統(tǒng)應(yīng)從自身環(huán)境收集能量——通過光伏元件、射頻能量、壓力以及熱能、空氣流動或流體運(yùn)動進(jìn)行收集。 例如，流量表理論上可從其測量的介質(zhì)收集能量，從而實(shí)現(xiàn)能量自給。 壁裝式傳感器可從照射到其表面的光收集能量。
實(shí)際上，電子傳感器系統(tǒng)的能效很低，不能夠完全依賴環(huán)境能量收集。 但是，通過盡可能利用環(huán)境能量，可以延長電池續(xù)航時(shí)間——雖然這樣做會使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。
關(guān)鍵問題是，電能很難收集，因?yàn)樗丛陔妷汉艿蜁r(shí)出現(xiàn)，要么在電壓很高時(shí)出現(xiàn)，且兩種情況都存在相位難題。 因此，需要有專門技術(shù)來處理輸入，包括提供能夠處理低壓高阻抗電源的升壓轉(zhuǎn)換器，很多能量收集模塊都向系統(tǒng)提供這種電源。 此外，升壓轉(zhuǎn)換器等電路可能會產(chǎn)生高頻噪聲，干擾無線電通信。 系統(tǒng)應(yīng)能應(yīng)對這些情況。
進(jìn)一步的要求是，應(yīng)能支持最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 功能，對于光伏發(fā)生器和熱電發(fā)生器而言尤其如此。 每個(gè)光伏模塊都有其電流-電壓 (IV) 特性曲線，該曲線不僅取決于入射光，還取決于溫度。 該曲線確定可實(shí)現(xiàn)最大程度能量收集的電壓。 偏離該電壓可能會減少收集到的電流，繼而導(dǎo)致收集到的能量減少。
圖 1：光伏收集器的 IV 曲線。
溫度也會影響模塊的峰值輸出能效。 高溫會導(dǎo)致模塊的輸出電壓下降。 因此，即使在陽光強(qiáng)烈時(shí)，即光伏電池板的能效應(yīng)該最高的時(shí)段，如果電子電路未能補(bǔ)償隨之發(fā)生的電壓下降，光伏電池板的轉(zhuǎn)換效率仍可能下降。 借助 MPPT，電源轉(zhuǎn)換電子器件可跟蹤環(huán)境情況變化，并確保始終選擇最適當(dāng)?shù)碾妷骸?幸運(yùn)的是，隨著照明變化發(fā)生的最大功率點(diǎn)偏移通常相對較小，因此，MPPT 控制電路只需要分析 IV 曲線中相對較小的一部分。
壓電收集器呈現(xiàn)出不同但類似的特性：開路電壓大約與短路電流成反比。 壓電元件可串聯(lián)或并聯(lián)放置，以獲得收集能量所需的電壓范圍。 通常，當(dāng)壓電收集器的工作電壓為開路電壓的一半左右時(shí)，壓電收集器會產(chǎn)生最大功率。
圖 2：壓電收集器的 IV 曲線。
在系統(tǒng)方面要考慮的另一個(gè)問題是，如何高效地管理已收集能量，確保電池不會意外過度充電，且能量收集和儲存過程消耗的能量不應(yīng)超過可儲存的能量。 將電池和超級電容器結(jié)合使用通常能夠有效避免用不可靠的電源充電。
雖然從理論上講，這種組合比充電電池更容易控制，但超級電容器的電壓很低，這意就味著這些電容器通常串聯(lián)，以獲得兼容大多數(shù)系統(tǒng)電子器件的電壓。 超級電容器串聯(lián)時(shí)，分布到整個(gè)超級電容器組的電壓最初是電容的函數(shù)。 但是，如果超級電容器組的電壓在一段時(shí)間內(nèi)保持不變，則電壓分布會由于漏電電流而發(fā)生偏移，變成內(nèi)部并聯(lián)電阻的函數(shù)。
一項(xiàng)可減少漏電造成電壓位移的設(shè)計(jì)技術(shù)是，將電阻器和每個(gè)超級電容器并聯(lián)。 但是，這樣會增加能量損耗，而這并不符合能量收集設(shè)計(jì)的初衷。 對此，有源超級電容器平衡是更為行之有效的技術(shù)。Linear Technology 的 LTC3331 也采用了這項(xiàng)技術(shù)；該器件是專為解決將電池和已收集能量結(jié)合使用所存在的問題而設(shè)計(jì)的眾多器件之一， 這些器件的出現(xiàn)，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員實(shí)施分立解決方案的需要。
圖 3：LTC3331 的典型應(yīng)用，圖中右側(cè)顯示了超級電容器平衡器連接。
LTC3331 中的有源超級電容器平衡器需要與使用 BAL 引腳的兩個(gè)器件配合使用來實(shí)現(xiàn)其功能。 LTC3331 中的控制器會主動實(shí)現(xiàn)高達(dá) 10 mA 的拉出和灌入電流，將 BAL 引腳的電壓調(diào)節(jié)為該器件輸出電壓的一半。 該平衡器的功耗為 150 nA。 如果不需要平衡功能，或者該功能在實(shí)際應(yīng)用中耗用過多能量，則可將其禁用；這樣，通過將 BAL 引腳和 SCAP（當(dāng)處于活動狀態(tài)時(shí)，它通常與 Vout 連接）同時(shí)接地，即可將靜態(tài)電流降至零。
LTC3331 等器件的設(shè)計(jì)核心是升壓或升降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器可與典型的能量收集器配合使用。 這種轉(zhuǎn)換器與用于控制的電子器件連接，這些控制器件決定升壓轉(zhuǎn)換器何時(shí)進(jìn)入活動狀態(tài)。 控制器還可執(zhí)行 MPPT 計(jì)算。 以 LTC3331 為例，該器件使用壓電能源或光伏能源，適用于無線系統(tǒng)。無線系統(tǒng)的平均功耗很低，但當(dāng)數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)到集線器或網(wǎng)關(guān)時(shí)，其電量需求會突增。 在這種情況下，會從超級電容器吸取能量，甚至還可能從電池吸取能量，具體取決于自上次通信以來收集了多少能量。
在 LTC3331 中，當(dāng)存在可收集能量時(shí)，這些能量會通過橋式整流器傳輸?shù)捷斎腚娙萜鞑⒃谀抢锞鄯e。 LTC3331 帶有一個(gè)在低靜態(tài)電流下工作的欠壓鎖定電路，使得電容器電壓可升至設(shè)定的閾值。 電容器電壓一旦超過該閾值，降壓轉(zhuǎn)換器即會啟動，將能量傳輸?shù)捷敵鲕墶?如果輸入電容器的電壓降至下降閾值以下（通常設(shè)置為不同于上升閾值，以避免不必要的振蕩），降壓轉(zhuǎn)換器會關(guān)閉，升降壓轉(zhuǎn)換器啟動以實(shí)現(xiàn)電池供電；在這種情況下，仍可繼續(xù)將能量收集到超級電容器中。
Analog Devices 生產(chǎn)的 ADP5090 帶有適用于低壓熱電能源和太陽能的升壓轉(zhuǎn)換器，其工作電壓低至 380 mV。 該器件配有一個(gè)用于連接備用電池或超級電容器的接口，且支持 MPPT。
圖 4：ADP5090 應(yīng)用示意圖，左側(cè)為用于 MPPT 設(shè)置存儲 (CBP) 的電容器連接。
MPPT 控制能力借助外部電容器得以保持；應(yīng)在出現(xiàn)低漏電的情況下選擇使用外部電容器，因?yàn)榭刂齐娐反蠹s每隔 19 秒對收集器輸入進(jìn)行一次采樣。 如果電容器電壓下降，MPPT 控制器的效率會降低。 對此，10 nF X7R 或 C0G 低漏電陶瓷可提供適當(dāng)水平的性能。 為了支持很低的收集電壓，ADP5090 采用了充電泵，以使升壓轉(zhuǎn)換器能夠在很低的輸入電壓下啟動。 附加電路會檢查電壓是否過低，以致運(yùn)行升壓轉(zhuǎn)換器在收集可用能量時(shí)，實(shí)際上會開始耗用電池電量。
對于無線應(yīng)用（這種應(yīng)用的特點(diǎn)是，射頻電子器件可能對噪聲非常敏感，尤其是以低功耗工作時(shí)），在有外部軟件或硬件控制的情況下，可臨時(shí)禁用升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器——只需拉高 DIS_SW 引腳即可。
Texas Instruments.生產(chǎn)的 bq25504 也是不錯(cuò)的選擇。 該器件能夠在能量收集器提供的 330 mV 輸入電壓下冷啟動，運(yùn)行時(shí)可支持低至 80 mV 的電壓。 這可為以 330 nA 靜態(tài)電流運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器提供所需的電力。 雖然 bq25504 不能直接控制備用電池，但它可根據(jù)用戶可編程的欠壓和過壓狀態(tài)監(jiān)視最大和最小電壓，以防存儲元件受損。 為便于能量管理，該器件采用“電池良好”標(biāo)志控制，當(dāng)儲能電池或電容器的電壓降至低于預(yù)設(shè)的臨界水平時(shí)，會向所連接的微處理器發(fā)出警報(bào)信號。 這會使得負(fù)載電流削減，以防系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)。
LTC3331、ADP5090 和 bq25504 等解決方案通過結(jié)合使用電池和已收集能量，能夠更容易地實(shí)現(xiàn)具有很長電池續(xù)航時(shí)間的 IoT 傳感器節(jié)點(diǎn)。
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