讓W(xué)SN節(jié)點(diǎn)不斷電新能源采集系統(tǒng)加速取代電池

1、讓wsn節(jié)點(diǎn)不斷電 新能源采集系統(tǒng)加速取代電池新能源采集系統(tǒng)己逐漸嶄霽頭角。在高效率電源轉(zhuǎn)換積體電路(ic)加持下，新能源采集系統(tǒng) 的電能轉(zhuǎn)換效率已較過(guò)去顯著提升，因而吸引愈來(lái)愈多無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路(wsn)節(jié)點(diǎn)裝置設(shè)計(jì)人 員，以能量采集技術(shù)取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長(zhǎng)期維護(hù)成本。凌力爾特電源管理產(chǎn)品部副總裁暨總經(jīng)理don paulus人類周遭存在許多環(huán)境能源，過(guò)去能 源采集的傳統(tǒng)方法，往往是藉助太陽(yáng)能板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)，不過(guò)，新的能源采集工具讓使川者 能運(yùn)用各式環(huán)境能源產(chǎn)生電能，而冃，重要z處不在于電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是在于可為 其供電的平均采集能量值，例如熱電產(chǎn)牛器可轉(zhuǎn)換熱量、壓電元件町轉(zhuǎn)換機(jī)

2、械振動(dòng)、光 伏元件川于轉(zhuǎn)換陽(yáng)光，并r上述工具將進(jìn)一步將這些環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成為可川的電能。這些能 源采集元件能夠?yàn)檫h(yuǎn)端感測(cè)器供電或?qū)﹄娔苡洃涹w(例如電容器或薄膜電池)進(jìn)行充電，并對(duì) 微處理器(mpu)或發(fā)送器實(shí)施遠(yuǎn)端供電，而毋須使川本地電源?；蛟S有人會(huì)認(rèn)為，在整個(gè)能量采集過(guò)程屮直流對(duì)直流(dodc)轉(zhuǎn)換器電路的轉(zhuǎn)換效率是最為 關(guān)鍵的因素，然而事實(shí)并非如此。整個(gè)無(wú)線感測(cè)網(wǎng)路(wsn)的轉(zhuǎn)換效率才是最重要的。推理 過(guò)程十分簡(jiǎn)單，透過(guò)估算wsn可向系統(tǒng)提供多少壞境能量，即可確定任意讀取和傳送操作 的工作周期比，因此對(duì)于任何應(yīng)用產(chǎn)品，wsn轉(zhuǎn)換效率系決定整體方案z實(shí)用性的重要 關(guān)鍵?，F(xiàn)行能量采集技術(shù)如振動(dòng)

3、能量采集和室內(nèi)光伏單元在典型工作條件下將產(chǎn)生毫瓦(mw)量級(jí) 的功率。如此低的功率似乎川起來(lái)很受限，但無(wú)論就能量供應(yīng)還是就所捉供的每能量的單位 成木而言，這些技術(shù)大體上已可與長(zhǎng)壽命的主電池匹敵。此外，新能源采集系統(tǒng)能在電能耗 盡后再充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。矽能量來(lái)源及其所能產(chǎn)生的能量值能量源i所產(chǎn)生的典型能量級(jí)別 . 1 典型應(yīng)用小型太陽(yáng)能電池板幾百mw/cm2（直射陽(yáng)光）掌上型電子設(shè)備小型太陽(yáng)能電池板幾百u(mài)w/cmq非直射陽(yáng)光）手持無(wú)線感測(cè)器塞貝克（seebeck）元件 （用於將熱能轉(zhuǎn)換為電能）幾+uw/cnv（購(gòu)熱）遠(yuǎn)程無(wú)線感測(cè)器塞貝克元件幾十mw/cm2 （高爐排氣煙國(guó)

4、）遠(yuǎn)端無(wú)線執(zhí)行器壓蠱元件（通過(guò)元件的 擠壓或撓曲來(lái)產(chǎn)生能）幾百u(mài) w/cm2掌上型審子設(shè)備或 遠(yuǎn)端無(wú)線執(zhí)行器來(lái)自天線的射頻（rf）能討幾百pw/cm2遠(yuǎn)?廠1壞境能源包插光、溫差、振動(dòng)波束、己發(fā)送的射頻（rf）訊號(hào)，或者任何具他能通過(guò)換能器產(chǎn) 生電荷的能源。表1列出從不同能量源可產(chǎn)生的能量。景三響wsn功耗的因素 i影舞功耗的因素電源 （或電池）放電速率電池尺寸電源電壓所使用電極材料的類型dc/dc轉(zhuǎn)換效率感測(cè)器實(shí)鵝訊號(hào)至電訊號(hào)轉(zhuǎn)換 支援組件的複雜性訊號(hào)採(cǎi)樣訊號(hào)處理adc採(cǎi)樣速率 混香高頻抖動(dòng)微處理器內(nèi)核工作頻率 工作 功率與處理及計(jì)算負(fù)載 成上匕例 環(huán)境溫度 應(yīng)用代碼 外部設(shè)備利用率射頻調(diào)變

5、方案 資料速率 傳送範(fàn)圍 工作週期上當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)單個(gè)或多個(gè)wsn能源采集系統(tǒng)時(shí)，所須要考慮的是整體系統(tǒng)運(yùn)作需要多少功率。從原理上而言，這似乎相當(dāng)直覺(jué)明瞭，然而，在現(xiàn)實(shí)中由于諸多因素的影響而使其難度略有 增加，測(cè)試者須得知獲取讀數(shù)的頻率是多少?資料封包將會(huì)多人?系統(tǒng)須要將讀數(shù)傳送到多遠(yuǎn) 的地方?對(duì)于單顆感測(cè)器讀數(shù)，收發(fā)器約消耗50%的系統(tǒng)所川能量，表2概耍羅列影響wsn 能源采集系統(tǒng)功耗特性的因素。能源采集器/輔助電能儲(chǔ)存器互助確保wsn供電無(wú)虞 由能源采集系統(tǒng)所提供的電源雖取決于系統(tǒng)處于操作狀態(tài)的時(shí)間，因此衡暈新能源采集系統(tǒng) 的主耍標(biāo)準(zhǔn)為功率密度，而非能量密度。能源采集系統(tǒng)一般會(huì)遇到變動(dòng)和不可預(yù)

6、測(cè)的可用功 率，因而須采用能源采集器和輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。由于采集器可有無(wú)限的能址 供應(yīng)而成為系統(tǒng)能源，而輔助電能儲(chǔ)存器（一個(gè)電池或一個(gè)電容器）可產(chǎn)牛較高的功率，但儲(chǔ) 存的能量較少，示者僅在必要的時(shí)候供電，其他悄況下則定期從采集器接收電能，所以wsn 在沒(méi)有可供采集功率的壞境能源時(shí)，必須以輔助電能儲(chǔ)存器供電。從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度而言，這將進(jìn)一步增加設(shè)計(jì)復(fù)雜程度，因?yàn)樗麄儽仨毧紤]一個(gè)問(wèn)題 為對(duì)缺乏環(huán)境能量源的wsn提供補(bǔ)償電力，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)多少能量?其取決 的因素包括能量采集器缺乏環(huán)境能量源的時(shí)間長(zhǎng)度、wsn工作周期比（即資料讀取和傳輸操 作必須具備的頻率）、輔助儲(chǔ)存器（電容器

7、、超級(jí)電容器或電池）的人小和類型、壞境能量是 否可提供既能充當(dāng)主能量源，同時(shí)又擁有充分剩余能量為輔助電能儲(chǔ)存器充電？以下將就能 源采集應(yīng)用的dodc轉(zhuǎn)換ic特性概述，一般而言，為能量采集應(yīng)用所接納和采用所需的必 要ic性能特征包括： 低待機(jī)靜態(tài)電流 運(yùn)作電流通常小于6微安培®a）,并可低至450奈安培（na）低啟動(dòng)電壓低至20毫伏特（mv）高輸入電壓能力 高達(dá)34伏特（連續(xù)）和40伏特（暫態(tài)） 能夠處理交流電（ac）輸入多輸出能力和口丄羽系統(tǒng)電源管理 i動(dòng)極性操作 針對(duì)太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制(mppc)能夠從低至的溫差采集能量接腳占位精小且外部元件極少搶搭能源成木順風(fēng)車能源采集系

8、統(tǒng)逐漸嶄露頭角 在可替代能源所帶來(lái)的諸多發(fā)展契機(jī)中，太陽(yáng)能供電型電子裝置市場(chǎng)為絕佳例子，在各家公 司致力尋求降低功耗之方法的悄況下，太陽(yáng)能供電型電了設(shè)備的市場(chǎng)呈持續(xù)成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。以 智慧電表為例，為降低運(yùn)行能源成本，部署在智慧電網(wǎng)上的智慧電表將很有可能由某種環(huán)境 能量源來(lái)供電，而太陽(yáng)能即為豐富的能量來(lái)源。然而，鑒于太陽(yáng)能電源變化無(wú)常且不可靠, 所以兒乎所有的太陽(yáng)能供電型設(shè)備都配有可再充電電池，因此，汲取盡可能多的太陽(yáng)能以對(duì) 這些電池進(jìn)行快速充電并保持其電荷狀態(tài)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要目標(biāo)。反z,倘若智慧電表采用電池做為其主電源，則電源轉(zhuǎn)換和管理電子元件在待機(jī)模式中將必 須具非常低的靜態(tài)電流，以延長(zhǎng)電池使用壽命，而目前業(yè)界已能提供一系列靜態(tài)電流水準(zhǔn)低 于25微安培的晶片。所有因應(yīng)綠色新能源或能最采集的產(chǎn)品都將在今年之示逐漸嶄露頭角。由于市場(chǎng)對(duì)能源成木 和壞境問(wèn)題的關(guān)注以及延長(zhǎng)行動(dòng)裝置電池使用壽命的需求升溫，業(yè)界對(duì)于包括智憩電網(wǎng)在內(nèi)