現(xiàn)今無線感測器節(jié)點多半須更換
電池,導(dǎo)致維運成本過高。新一代
能量采集晶片同時具備整流及降壓功能,因此當(dāng)環(huán)境能源可用時,可持續(xù)采集能源為感測器節(jié)點供電,而當(dāng)無法使用環(huán)境能源時,則會自動轉(zhuǎn)換至
電池供電,能有效減少
電池電力消耗。
遠(yuǎn)端無線感測器以往均依賴
電池供電來測量資料,并以無線方式發(fā)送,當(dāng)無線感測器節(jié)點位在人員可及之處,便可由人力進(jìn)行
電池更換;此方式雖可靠,但感測器的可用壽命將取決于
電池壽命,一般
電池可用壽命約5~10年,同時價格昂貴。
有些應(yīng)用情形難以為
電池充電,且人工為
電池充電的執(zhí)行費用高昂,如為核電廠、煉油廠甚至地下設(shè)施中的無線感測器
電池充電,費用可能相當(dāng)龐大;若改用較大的
電池雖可提供較長壽命,但當(dāng)尺寸更大,成本就更高。如此一來,如何讓
電池達(dá)更長續(xù)航力,就成為一個重要課題。
提供額外電源 能量采集降低電池依賴
關(guān)于延長
電池壽命的問題,
能量采集提供可能的解決途徑。當(dāng)可采集能源可用時,便透過該能源為感測器節(jié)點供電;當(dāng)沒有可采集能源時,則改由主
電池為感測器節(jié)點供電。當(dāng)然,
能量采集并非新概念,第一座采用水和重力驅(qū)動渦輪發(fā)電機的水力發(fā)電廠建于1882年,提供綠能和可持續(xù)的電力來源,是一種大規(guī)模龐可采集能源。然而,因這種能源極度依賴自然地形,因此需要大型、昂貴的傳輸網(wǎng)路;同時,傳輸損耗將隨距離加長而升高,因此大幅降低可用功率。
不過,在很多情況下,無線網(wǎng)路感測節(jié)點所需電力僅幾毫瓦(mW)功率,所以可使用規(guī)模較小的
能量采集解決方案,為尺寸精巧、采無線傳送方式,且在功率譜低階的應(yīng)用供電。
盡管太陽能
電池(光伏
電池)與壓電換能器等非傳統(tǒng)電源已廣為熟知,但利用此類非傳統(tǒng)電源供電卻仍具挑戰(zhàn)性;這類電源需要特定的電源轉(zhuǎn)換電路,以高效率進(jìn)行采集、管理,并將能源轉(zhuǎn)換成電能,為感測器、微控制器(MCU)和無線換能器供電。
不論在電源電壓高于所需電壓,必須降壓轉(zhuǎn)換為可用電壓時,或在某些情況下須要先整流,再進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換,以上情況皆需特定的
能量采集電路。這類電路是非常復(fù)雜的分立式電路,具有多達(dá)三十個元件,且須提供夠高的效率以適合實際使用。直到不久前,專門的
能量采集電源積體電路(IC)出現(xiàn)了,這類IC結(jié)合適當(dāng)?shù)膿Q能器,可組成精巧、簡單且效率非常高的電源轉(zhuǎn)換及管理解決方案。
超低功率應(yīng)用適用于多種無線系統(tǒng),如交通運輸、基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)檢測、大樓自動化、資產(chǎn)追蹤等。此類型系統(tǒng)通常處于備用模式(休眠),僅需幾微瓦(W)功率維持運作;系統(tǒng)喚醒后,感測器測量壓力、溫度或機械偏轉(zhuǎn)等參數(shù),以無線方式將資料傳送到遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理器;進(jìn)行測量、處理和傳輸所用的全部時間通常僅幾毫秒(ms),但在幾毫秒內(nèi)卻需要數(shù)十毫瓦功率。上述應(yīng)用的工作期間通常很短,所以必須采集的平均功率仍然可以相對較小。
盡管電源可能只是一塊
電池,它仍須透過人工替換;若可采用以環(huán)境能源為主的
能量采集設(shè)計,當(dāng)沒有環(huán)境能源可用時才使用
電池,那么
電池壽命將可大幅延長。
以大樓自動化的無線感測器系統(tǒng)為例,其位元感測器、恒溫器、光感應(yīng)開關(guān)等系統(tǒng)省去一般所需的電源或控制布線,而是透過
能量采集而來的環(huán)境能源和
電池,為無線網(wǎng)路供電,除了不必一開始就安裝線纜,此替代方案也不須有線系統(tǒng)的日常維護(hù),進(jìn)一步節(jié)省費用支出。
此外,使用
能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)路,還可連接大樓內(nèi)部感測器,當(dāng)建筑內(nèi)無人時,系統(tǒng)自行關(guān)閉非必要區(qū)域電源,以此減少熱量、通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)以及照明費用。
一個基于
能量采集的HVAC監(jiān)視系統(tǒng),例如工業(yè)園區(qū)內(nèi)的強制空氣流動管道,該系統(tǒng)須連續(xù)監(jiān)視空氣流動速度、溫度和壓力;所有無線感測節(jié)點都可能內(nèi)建溫度、壓力和空氣流動感測器,每隔5秒鐘便進(jìn)行一次測量。由于HVAC系統(tǒng)分布距離相當(dāng)長,且通常埋入大樓基礎(chǔ)設(shè)施地底,所以架設(shè)供電和資訊傳輸線纜的費用非常高,且線纜須要時常維護(hù),同樣是一筆龐大的開銷。
定期更換
電池的費用非常高昂,因取出每一塊
電池都須雇用專人執(zhí)行。其解決方案為建構(gòu)一個可連續(xù)運行的電源系統(tǒng),當(dāng)環(huán)境能源可用時,使用采集的環(huán)境能量;當(dāng)沒有環(huán)境能量可采集使用時,用
電池供電,以盡量減少
電池消耗。
目前最普遍、最容易取得的環(huán)境能源之一是振動,小型壓電換能器可將HVAC壓縮機上的振動能量轉(zhuǎn)換成小電流交流(AC)電訊號(圖1)。這種采集能源須要整流和降壓,以提供可用的低電壓,為無線感測節(jié)點供電;其
電池可用作備份電源,在暫時沒有采集能源可用時使用,能有效延長
電池壽命。
圖1 小型壓電換能器所提供的功率隨壓電頻率變化。
目前市面上已有
能量采集穩(wěn)壓解決方案,當(dāng)采集能源可用時,其能提供達(dá)50毫安培(mA)的連續(xù)輸出電流,進(jìn)而延長
電池壽命。當(dāng)從采集能源向負(fù)載穩(wěn)定供電時,該IC毋須
電池提供電源電流;在無負(fù)載情況下由
電池供電時,僅須750奈安培(nA)工作電流。
新一代整合一個高壓
能量采集電源和一個同步升降壓直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器;該轉(zhuǎn)換器由主
電池供電,為無線感測節(jié)點中常見的
能量采集應(yīng)用產(chǎn)生單一無中斷輸出。
能量采集電源由一個適合AC或DC輸入的全波橋式整流器,和一個高效率降壓轉(zhuǎn)換器組成,從壓電(AC)、太陽(DC)或磁(AC)能源采集能量;主
電池輸入為升降壓轉(zhuǎn)換器供電,當(dāng)沒有采集能量可用時,該轉(zhuǎn)換器會工作于1.8~5.5伏特的輸入電壓范圍,以便在輸入電流高于、低于或等于輸出電流時,都能立即調(diào)節(jié),同時裝置將自動轉(zhuǎn)換到
電池供電(圖2)。
一般而言,相關(guān)應(yīng)用可能使用圖2中AC1端的DC輸入,而且有可能同時使用AC2端的第二個輸入,或者使用跨AC1和AC2連接的單個AC輸入。若
能量采集電源是AC電源,例如由壓電換能器產(chǎn)生的電源,那么
能量采集穩(wěn)壓晶片就會透過整合式全波橋式整流器,為輸入電容提供DC電壓;而DC能量則直接儲存于輸入電容中,一旦輸入電容上的電壓超過欠壓鎖定(ULVO),其輸入優(yōu)先順序設(shè)定器便會關(guān)斷
電池,并調(diào)節(jié)來自采集電源的輸出。輸出電壓(VOUT)從1.8~5伏特是接腳可設(shè)定的,該輸出通常為射頻(RF)收發(fā)器供電。
此外,1.2~3.3伏特的線性穩(wěn)壓器(LDO)輸出具低雜訊,一般做為微處理器內(nèi)核電源使用。當(dāng)使用
能量采集電源時,此兩個輸出相互結(jié)合,可提供高達(dá)125毫安培的輸出電流;當(dāng)
電池啟動時,可提供50毫安培電流。在
能量采集模式時,如果有多余的輸出功率,則可存在超級電容中以備將來所需,如此可進(jìn)一步延長
電池壽命。裝置內(nèi)建的超級電容平衡器則用來進(jìn)一步最佳化能量儲存;其中,在使用
能量采集電源時,
電池的靜態(tài)電流為零,因此所有
電池能量都進(jìn)而得到節(jié)省,以備未來所需。
能量采集穩(wěn)壓器若內(nèi)建全波橋式整流器,則適合壓電或磁換能器等產(chǎn)生的AC輸入,將AC訊號整流成DC訊號;若有多個換能器輸入,則將使用提供最高可用電壓(功率)的那一個。
輸入電流透過輸入電容采集,當(dāng)超過可設(shè)定ULVO門檻時,優(yōu)先順序設(shè)定器就關(guān)斷
電池,由同步降壓轉(zhuǎn)換器為輸出提供所需功率;該功率透過VOUT接腳或低雜訊LDO輸出提供給負(fù)載,任何多余的功率都儲存在輸出電容和/或超級電容中,在此種狀態(tài)下,
電池吸取的靜態(tài)電流為零。
輸入保護(hù)分流電路為電壓超過20伏特的情況提供安全保護(hù)。若無
能量采集輸入電源可用,那么優(yōu)先順序設(shè)定器就自動切換到同步升降壓轉(zhuǎn)換器,以提供所須輸出。在整個轉(zhuǎn)換期間,VOUT和VLDO都保持穩(wěn)定,從而為感測器、無線發(fā)送器和微處理器提供所需功率。
升降壓轉(zhuǎn)換器提供1.8~5.5伏特輸入電壓,適合多種鋰離子
電池。無論
電池電壓在高于、等于還是低于VOUT時,該升降壓轉(zhuǎn)換器都以超過90%的效率提供恒定電壓。與一般降壓型設(shè)計相比,升降壓架構(gòu)使
電池執(zhí)行時間延長30%以上,當(dāng)透過
電池操作時,總輸出電流取決于輸入電壓(VIN)/VOUT之比,和
電池不能使用時之最終電壓,此輸出電流大約為50毫安培。
VOUT是低雜訊LDO輸出的輸入,該輸出范圍為1.2伏特,比VOUT低50毫伏特,是接腳可設(shè)定的,適用于為多種微處理器/控制器內(nèi)核供電。VOUT和VLDO都具備電源良好狀態(tài)輸出,以從總體減輕系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)。此外,選配式超級電容平衡器可確保儲存能量的最長壽命。
僅作備用能源 主電池壽命達(dá)兩倍
準(zhǔn)確來說,
電池壽命能夠延長多少取決于環(huán)境能源的性質(zhì)、可用性以及無線感測節(jié)點需要的總功率。
在先前所舉的HVAC例子中,若壓縮機持續(xù)運作,整個系統(tǒng)由壓電
能量采集電源供電,而
電池僅用作備用電源,當(dāng)遇到停電或壓縮機檢修時才使用,那么則可無限期地延長
電池壽命。舉例來說,在火車應(yīng)用中,感測器用來測量輪轂軸承溫度、貨物庫存或溫度;火車運行時,壓電
能量采集電源為系統(tǒng)供電;火車靜止時,則改由
電池供電。以上方式將大幅延長
電池壽命,這種特點是軌道車輛特別需要的。
另一個例子是太陽能環(huán)境能源應(yīng)用,透過將太陽能
電池用作
能量采集電源,此系統(tǒng)白天可透過太陽能
電池運作,同時也在輸出電容和超級電容中儲存多余的電能;當(dāng)沒有太陽能
電池輸入可用時,系統(tǒng)則首先為輸出電容和超級電容放電數(shù)小時,之后再轉(zhuǎn)換到
電池。視外部條件的不同而不同,如此可能延長至少兩倍之
電池壽命。
至于
電池壽命能延長多少,答案是視情況而定,不過延長時間介于兩倍至無限期之間,而高度取決于系統(tǒng)設(shè)計和I/O功率工作周期比。顯然地,只有透過用
能量采集IC納入
能量采集電源,并用主
電池補充
能量采集電源時,才有可能延長
電池壽命。在大多數(shù)情況下,這還使設(shè)計者得以使用更小、更便宜的
電池。 就多種無線感測節(jié)點應(yīng)用而言,增加合適的環(huán)境能源換能器和
能量采集電源管理IC,可以大幅延長系統(tǒng)主
電池壽命。當(dāng)采集能源可用時,該IC提供高效率能源,且
電池漏電流為零,可構(gòu)成非常精巧、易于實現(xiàn)的解決方案。透過上述方案,在許多應(yīng)用中都可無限期地延長
電池壽命,因此允許使用尺寸更小、成本更低的主
電池,并有效減少
電池更換費。
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