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。 　　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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