本文著眼于利用能量采集源動力在工業(yè)自動化節(jié)點，其中高可靠性是關(guān)鍵的設(shè)計挑戰(zhàn)。它探討如何能源如結(jié)合溫度和振動與電池系統(tǒng)和無線鏈路，以確保傳感器節(jié)點可以放置在完全正確的位置，并具有最高可能的可靠性。

能量收集技術(shù)可以用于增強(qiáng)工業(yè)系統(tǒng)的可靠性和可用性。能夠定位傳感器節(jié)點在需要它們不管電源或通信鏈路的可提供更高質(zhì)量的數(shù)據(jù)的地方。這反過來可以提供趨勢數(shù)據(jù)標(biāo)識發(fā)生并允許預(yù)防性維護(hù)或故障發(fā)生前帶來的流替代設(shè)備之前，他們的問題，如卡爾曼算法的技術(shù)。

這些能量收集技術(shù)克服了簡單的電池供電的傳感器節(jié)點所面臨的挑戰(zhàn)。隨著成千上萬節(jié)點跨越工廠地板，維護(hù)和更換電池可以是一個昂貴和費時的工作。然而，能量收集被視為可顯著變化，因此往往不考慮這樣的應(yīng)用不可靠的來源。結(jié)合的能量采集源，如振動，熱或用太陽能充電電池帶來了兩全其美。獨立的傳感器節(jié)點可以容易地放置在難以到達(dá)的地方，并且可再充電電池系統(tǒng)可以持續(xù)數(shù)千個周期，顯著地延長了節(jié)點的壽命。

然而，這種組合需要一類新的電源管理設(shè)備，可以從一個不規(guī)則的，低電流源提供可靠的電力。這些器件采用降壓 - 升壓架構(gòu)來專門管理從源動力

從收獲的振動能量，與如丙烯酰胺的Volture V25W設(shè)備，是權(quán)力在工廠自動化的重要來源。 。

美迪Volture V25W壓電振動能量生成的圖像

圖1：從MIDE的Volture V25W壓電振動能量發(fā)生器。

這是被設(shè)計為在惡劣環(huán)境中使用一個密封的壓電器件。它可以作為一個傳感器，但它也可以直接與電源管理芯片和薄膜電池集成以提供一個可靠的電源。它是在由攻電機(jī)的振動供電的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，以及無線高壓空調(diào)傳感器在工業(yè)自動化設(shè)置傳感器節(jié)點的具體目標(biāo)。能夠監(jiān)視暖通的狀態(tài)是重要的，以確保在工廠車間的溫度被嚴(yán)格控制的可靠性。

該傳感器被安裝在振動源并調(diào)諧到源的諧振頻率。常以占優(yōu)勢的頻率是與一個120赫的交流電機(jī)或60赫茲器具以使調(diào)諧容易顯而易見的，但大多數(shù)的應(yīng)用將需要某種形式的振動表征的，以確保源工作在諧振頻率。

然后將V25W可以連接到一個電力管理裝置如Maxim的MAX17710。這是為充電和保護(hù)微存儲單元從能量收集來源的完整的系統(tǒng)。它管理監(jiān)管不力與輸出電平范圍從1固件系統(tǒng)100毫瓦來源。該器件還包​​括電池從低至0.75 V(典型值)源充電升壓穩(wěn)壓電路。

內(nèi)部調(diào)節(jié)保護(hù)細(xì)胞免受過充電，供給到目標(biāo)應(yīng)用程序的輸出電壓是使用低壓差(LDO)與3.3伏的電壓可選擇線性穩(wěn)壓器，2.3伏，或1.8 V.輸出調(diào)節(jié)器以可選擇的調(diào)節(jié)低功率或超低功率模式，以盡量減少細(xì)胞的漏極。內(nèi)部電壓保護(hù)可防止電池過度放電。

Maxim的MAX17710的圖

圖2：MAX17710特別調(diào)諧到能量采集源的功率。

太陽能電池為電源的工廠車間的可能來源甚至在室內(nèi)。從飛索的MB39C831是一個高效率的同步整流升壓DC / DC變換器，它有效地提供能量從與單個細(xì)胞或多個小區(qū)的太陽能電池獲得，或從熱電發(fā)電機(jī)(TEG)，以鋰離子電池。

它控制DC / DC轉(zhuǎn)換器輸出下列使用最大功率點跟蹤(MPPT)算法，保護(hù)功能的鋰離子電池安全充電的太陽能電池的最大功率點。

在一般情況下，太陽能電池的電壓依賴于負(fù)載電流而變化，因此工作點所在的功率變?yōu)樽畲笫顷P(guān)鍵?？刂扑惴▉砀欉@個最佳工作點相比，釋放點在沒有負(fù)載提供最高的效率為功率轉(zhuǎn)換。[!--empirenews.page--]

Spansion公司MB39C831的圖

圖3：MB39C831跟蹤源的最佳功率點為最有效的能量轉(zhuǎn)換。

有可能使用低電壓設(shè)計(圖3)，以啟動從0.35訴該設(shè)備適應(yīng)其中的單細(xì)胞的太陽能電池被視為輸入的應(yīng)用程序，并提供為3.0V至5.0 V的輸出與41微安靜態(tài)電流傳感器節(jié)點的電源。該裝置的一個主要特征是，它通過使用脈沖頻率模式(PFM)和脈沖寬度模式(PWM)轉(zhuǎn)換之間自動切換優(yōu)化功率轉(zhuǎn)換的效率低輸出功率期間。

這種適應(yīng)性措施也有助于其他能源，如熱能。這可以用來在工廠車間從熱的差異產(chǎn)生動力。熱機(jī)如萊爾德WPG-1可以提供高達(dá)1.5毫瓦可用輸出功率，并能處理范圍廣泛的負(fù)載電阻(如圖4)。一個超低電壓升壓轉(zhuǎn)換器被結(jié)合到下20°K提供可用輸出功率為低的溫度差異。輸出功率可以被調(diào)節(jié)，以適應(yīng)三個電壓設(shè)置點：3.3伏，4.1伏或5.0 V至該傳感器節(jié)點的電源或甚至更大的設(shè)備。

的單元是收割廢熱，并將其轉(zhuǎn)換為可使用的輸出DC功率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自包含薄膜熱電發(fā)電機(jī)。對于不同的熱差異或輸出電壓，定制設(shè)計服務(wù)，可容納備用吸熱和散熱機(jī)制。

萊爾德WPG-1熱機(jī)電流輸出的圖像

圖4：根據(jù)溫度差萊爾德WPG-1熱機(jī)的電流輸出。

進(jìn)一步增強(qiáng)了能量采集源的可靠性的一種方法是使用一個電容器組收集的能量之前，要么使用或存儲在本地電池。從先進(jìn)的線性器件EH300 / EH301系列EPAD能量采集模塊可以接受的能源來自眾多來源提供傳統(tǒng)的3.3 V和5.0 V輸出與低功耗間歇工作周期采樣的數(shù)據(jù)或狀態(tài)的監(jiān)測，以及極端的壽命要求的應(yīng)用。這些模塊是完全自供電，總是處于活動模式，這樣他們可以接受的瞬時輸入電壓范圍從0.0 V至+/- 500伏交流或直流，并且輸入電流從200 nA至400毫安從產(chǎn)生電能量收集源能在任何一個穩(wěn)定或間歇性和不規(guī)則的方式與不同的源阻抗。

EH300模塊的高級線性器件圖像

圖5：從先進(jìn)的線性器件EH300模塊使用電容器組從各種能量采集源提供一個始終保持接通電源管理。

每個模塊設(shè)置兩個電源電壓閾值+ V_low DC和+ V_high直流之間進(jìn)行操作，對應(yīng)于最小(VL)和最大值(VH)的電源電壓為傳感器節(jié)點。

當(dāng)能量源開始能量轉(zhuǎn)換成一個模塊，作為電荷脈沖的輸入端注入，這些電荷包被收集，積累和存儲到內(nèi)部存儲電容器組。對于最常見的能量采集應(yīng)用中，電能電荷分組到達(dá)的輸入電壓尖峰是不受控制的和不可預(yù)測的形式。通常，這些涵蓋廣泛的電壓，電流和時間波形的，它可以是很難處理。作為一個例子，在4分鐘內(nèi)以10微安的平均輸入電流以僅僅1.0微安的平均輸入電流的EH300模塊罐周期和40分鐘內(nèi)。

結(jié)論

能量收獲可將功率傳遞到傳感器網(wǎng)絡(luò)而不通過電源電纜的限制的有效方法。放置到需要的地方，并且通過設(shè)備的振動或以上的供電的燈，在該地方的傳感器可以是一種創(chuàng)新的方式來獲得非常有用的數(shù)據(jù)，以確保工廠系統(tǒng)可靠地運行。加充電電池延伸的維修和更換周期急劇并提供一種靈活的和有效的方式經(jīng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可靠地監(jiān)測設(shè)備。