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引言

便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域既廣泛又多樣化。從僅消耗幾微瓦平均功率的無線傳感器節(jié)點 (WSN) 到采用數(shù)百瓦時電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，產(chǎn)品種類非常豐富。不過，盡管產(chǎn)品種類繁多，這一領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢卻比較集中，即：設(shè)計師所設(shè)計的產(chǎn)品不斷需要更大的功率，以支持日益增多的功能;設(shè)計師要求用任何可用電源都能給電池充電。第一種趨勢意味著增大電池容量。不幸的是，用戶常常沒有那么大的耐心，所以增大的容量必須能夠在合理的時間內(nèi)充完電，這又導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢需要電池充電解決方案具有極大的靈活性，因為這類解決方案需要應(yīng)對多種輸入電源和功率。

幸運的是，在功率范圍的低端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如在 WSN 中常見和必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC 的能量收集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)處理非常小的功率和電流，可能分別是數(shù)十微瓦的功率和幾納安的電流。

最新的和現(xiàn)成有售的能量收集產(chǎn)品，例如在振動能量收集和室內(nèi)光伏電池中使用的能量收集產(chǎn)品，在典型工作條件下，能產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這種量級的功率看似有限，但是收集組件在很多年之中的運行意味著，就能量供應(yīng)和每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長壽命的主電池可以做到大致相似。此外，采用能量收集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統(tǒng)則做不到這一點。不過，大多數(shù)情況下，會采用環(huán)境能源作為主電源，而用主電池補充環(huán)境能源，如果環(huán)境能源消失或受到干擾，就可以接通主電池。

能量收集 WSN

我們周圍有豐富的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的收集工具允許我們利用多種環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是“平均收集到”可用來給電路供電的能量之多少。例如，熱電發(fā)生器將熱 (或冷) 轉(zhuǎn)換成電，壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光 (或任何光源)，通過化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件轉(zhuǎn)換潮氣為能量。這使得有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器、薄膜電池等存儲器件供電，這樣就能給地處偏僻的微處理器或發(fā)送器供電，而無需本地電源。

一般而言，在非傳統(tǒng)能源市場使用的 IC 必須具備的性能特點如下：

Ø 很小的備用靜態(tài)電流：一般情況下低于 6µA，最低可低至 450nA

Ø 很低的啟動電壓：低至 20mV

Ø 很強的輸入電壓能力：高達 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

Ø 能夠處理 AC 輸入

Ø 多輸出能力和自主的系統(tǒng)電源管理

Ø 自動極性工作

Ø 面向太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)

Ø 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

Ø 外部組件最少和占板面積緊湊的解決方案

WSN 基本上是自含式系統(tǒng)，由某種換能器組成，以將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號，其后通常跟隨的是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以用合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件通常由微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

在嘗試實現(xiàn) WSN 時，一個需要考慮的問題是：需要多少功率才能使該 WSN 運行? 理論上，這個問題似乎相當簡單;然而，現(xiàn)實情況是，由于一些因素使這問題有點難以回答。例如，獲取讀數(shù)的頻度有多高? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包會有多大? 數(shù)據(jù)需要傳送多遠? 這是因為，就獲取一次傳感器讀數(shù)而言，收發(fā)器大約消耗系統(tǒng)所用能量的 50%。有幾種因素會影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。參見表 1。

表 1：影響 WSN 功耗特性的因素