中心議題：

• 能量收集係統及技術
• 新型能量收集器應用方案

解決方案：

• 新型 LTC3588-1 壓電能量收集電源

許多低功率工業傳感器和控製器正在逐步轉而采用可替代能源作為主要或輔助的供電方式。理想的狀況是：此類收集的能量將完全免除增設有線電源或電池的需要。利用現成的物理電源 (例如：溫差裝置 [熱電發生器或熱電堆]

、機械振動 [壓電或機電裝置] 和光 [光伏器件]) 來產生電力的換能器正在成為諸多應用的適用電源。眾多的無線傳感器、遠程監視器和其他低功率應用正逐漸發展成為隻使用收集能量和接近“零”功率 (常被有些人稱為“毫微功率”) 的設備。

雖然“能量收集”自 2000 年初就出現了 (當時為其萌芽期)，但隻是憑借近期的技術發展才將其推進至商業化階段。簡而言之
，2010 年我們處在一個轉折點並將迎來其“成長”階段。運用能量收集技術的樓宇自動化傳感器應用已經在歐洲得到推廣
，這表明其增長階段也許已經開始。

現有的應用證實了能量收集的商業可行性

盡管能量收集的概念廣為人知已有多年，但在某種真實環境中實現一個係統卻很麻煩、複雜和昂貴。不過

，有些市場已經采用了能量收集方法，其中包括運輸基礎設施
、無線醫療設備
、輪胎壓力檢測，而迄今為止最大的市場便是樓宇自動化。就樓宇自動化而言
，諸如人體感應傳感器、溫度自動調節器和光開關等係統能夠免除通常所需的電源或控製線路
，而代之以一種機械或能量收集係統。

tongyang
，yunyongnengliangshoujijishudewuxianwangluonenggoujiangyizhuangjianzhuwuneirenyishumudechuanganqilianjieqilai
，yitongguozaijianzhuwuneiwurendeqingkuangxiaqieduanfeibiyaoquyudegongdianlaijiangdicainuan、通風和空調 (HVAC) 以及照明成本。此外，能量收集電子線路的成本常常低於使用電源線路的成本

，因此，選用收集電能技術顯然會有經濟上的收益。

典型的能量采集係統或無線傳感器節點 (WSN) (由圖 1 所示的 4 個主要的電路係統模塊來表示) 通常包括一種免費能源，比如：連接在某個振動機械源 (如 HVAC 管道或窗玻璃) 上的壓電換能器。這些小型壓電器件能夠將很小的振動或應變差轉換為電能。該電能隨後可由一個能量收集電路 (圖 1 中的第二個模塊) 進行轉換並被變更為一種可用的形式，用於給下遊電路供電。這些下遊電子線路通常將包括某種類型的傳感器、模數轉換器和一個超低功率微控製器 (圖 1 中的第三個模塊)。上述元件可以獲取該收集能量 (如今以電流的形式存在) 並喚醒一個傳感器，以獲得一個讀數或測量結果

，然後使該數據可通過一個超低功率無線收發器 (由圖 1 所示電路鏈中的第四個模塊來表示) 進行傳輸。
 

 
 免費能源         能量收集器/管理器    傳感器、A/D
、微控製器     無線發送器 / 接收器

圖 1：典型能量采集係統的四個主要模塊

有幾種因素影響能量收集係統或 WSN 的功耗特性。表 1 概要羅列了這些因素。

表 1：影響無線傳感器節點功耗的因素

 

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dangran
，younengliangshoujiyuansuotigongdenengliangqujueyutachuyucaozuozhuangtaideshijian。yinci
，bijiaohuanjingcaijinengliangyuandezhuyaoduliangbiaozhunshigonglvmidu，erbushinengliangmidu。nengliangshoujitongchangyudaodeshidi、易yi變bian和he不bu可ke預yu知zhi的de可ke用yong功gong率lv等deng級ji，因yin而er采cai用yong了le一yi種zhong與yu能neng量liang收shou集ji器qi和he一yi個ge輔fu助zhu電dian能neng儲chu存cun器qi相xiang連lian的de混hun合he結jie構gou。能neng量liang收shou集ji器qi因yin其qi不bu受shou限xian製zhi的de能neng量liang供gong應ying和he功gong率lv方fang麵mian的de欠qian缺que而er成cheng為wei係xi統tong的de能neng量liang源yuan。輔fu助zhu電dian能neng儲chu存cun器qi (一個電池或一個電容器) 可產生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電
，而在除此之外的其他情況下則定期從收集器接收電荷。

最先進和現成可用的能量收集技術 (例如：振動能量收集和室內光生伏打技術) 在zai典dian型xing工gong作zuo條tiao件jian下xia能neng產chan生sheng毫hao瓦wa量liang級ji的de功gong率lv。雖sui然ran這zhe麼me低di的de功gong率lv可ke能neng看kan似si很hen有you限xian，但dan是shi若ruo幹gan年nian來lai收shou集ji組zu件jian的de工gong作zuo可ke以yi說shuo明ming，無wu論lun就jiu能neng量liang供gong應ying還hai是shi就jiu所suo提ti供gong的de每mei能neng量liang單dan位wei成cheng本ben而er言yan
，這zhe種zhong技ji術shu大da體ti上shang與yu長chang壽shou命ming的de主zhu電dian池chi相xiang當dang。除chu此ci之zhi外wai

，運yun用yong能neng量liang收shou集ji的de係xi統tong一yi般ban能neng在zai電dian能neng耗hao盡jin之zhi後hou重zhong新xin充chong電dian，而er這zhe一yi點dian主zhu電dian池chi供gong電dian的de係xi統tong是shi做zuo不bu到dao的de。

正如已經討論的那樣
，環境能量源包括光、熱差、振動波束
、發射的 RF 信號，或者幾乎任何其他可通過換能器產生電荷的能量源。下麵的表 2 列出了從不同的能量源可產生多少能量。
 

表 2：能量源及其所能產生的能量值

要yao成cheng功gong設she計ji一yi款kuan完wan全quan獨du立li的de無wu線xian傳chuan感gan器qi係xi統tong，需xu要yao穩wen定ding供gong貨huo的de節jie電dian型xing微wei控kong製zhi器qi和he換huan能neng器qi
，並bing要yao求qiu這zhe些xie器qi件jian最zui低di限xian度du地di消xiao耗hao來lai自zi低di能neng量liang環huan境jing的de電dian能neng。圖tu 1 中，每個電路係統模塊 (能量源本身或許是個例外) 都特有一組迄今為止有損於其商業可行性的約束條件。低成本和低功率傳感器及微控製器麵市已有幾年的時間；然而
，超低功率收發器隻是最近才剛剛提供商用產品。不過，該鏈路中處於落後狀態的則一直是能量收集器。

現有的能量收集器模塊實現方案往往采用低性能和複雜的分立型結構，通常包括 30 gehuogengduodezujian。cileishejizhuanhuanxiaolvdi
，jingtaidianliugao。zhelianggebuzuzhichujundaozhizuizhongxitongdexingnengshousun。dizhuanhuanxiaolvjiangzengjiaxitongshangdiansuoxudeshijian，fanguolaiyouyanchangleconghuoquyigechuanganqidushuzhichuanshugaishujudeshijianjiange。gaojingtaidianliuzeduinengliangshoujiyuandeshuchunengdadaodezuidizhiyousuoxianzhi，yinweitabixushouxiantigongzijigongzuosuoxudedianliu，duochulaidegonglvcainengtigonggeishuchu。

新型壓電能量收集器

迄今為止，業界所缺少的一直是能收集和管理來自振動源或應變源的壓電能量
、並具有低損耗全波橋式整流器的高集成度、高效率 DC/DC 降壓型轉換器。不過，淩力爾特推出的新型 LTC3588-1 壓電能量收集電源極大地簡化了從此類能源收集剩餘能量的工作。

LTC3588-1 是(shi)一(yi)款(kuan)完(wan)整(zheng)的(de)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)，專(zhuan)為(wei)包(bao)括(kuo)壓(ya)電(dian)式(shi)換(huan)能(neng)器(qi)在(zai)內(nei)的(de)低(di)能(neng)量(liang)源(yuan)而(er)優(you)化(hua)。壓(ya)電(dian)器(qi)件(jian)通(tong)過(guo)器(qi)件(jian)的(de)擠(ji)壓(ya)或(huo)撓(nao)曲(qu)產(chan)生(sheng)能(neng)量(liang)。視(shi)其(qi)尺(chi)寸(cun)和(he)構(gou)造(zao)的(de)不(bu)同(tong)，這(zhe)些(xie)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)能(neng)產(chan)生(sheng)幾(ji)百(bai) μW/cm2 的功率。

圖 2：LTC3588 的典型應用原理圖

應該指出的是：壓電效應是可逆的，即呈現直接壓電效應 (一加上壓力就產生電位) 的材料也呈現反向壓電效應 (一加上電壓就產生壓力和 / 或應力，即撓曲)。

LTC3588-1 在 2.7V 至 20V 的輸入電壓範圍內工作

，從而非常適用於多種壓電傳感器及其他的高輸出阻抗能量源。其高效率降壓型 DC/DC 轉換器可提供高達 100mA 的連續輸出電流或者甚至更高的脈衝負載。其輸出可以設定為 4 種固定電壓之一 (1.8V
、2.5V、3.3V 或 3.6V)，以向無線發送器或傳感器供電。輸出處於穩定狀態 (無負載) 時，靜態電流僅為 950nA，從而最大限度地提高了總體效率。

LTC3588-1 專為直接與壓電或可替代高阻抗 AC 電源連接
、給電壓波形整流以及在外部存儲電容器中存儲收集到的能量而設計，同時通過一個內部並聯穩壓器消耗過多的功率。具 1V ~ 1.4V 遲滯窗口的超低靜態電流 (450nA) 欠壓閉鎖 (UVLO) 模式使電荷能在存儲電容器上積累，直到降壓型轉換器能高效率地將部分存儲的電荷傳送至輸出為止。

結論

由於擁有模擬開關模式電源設計專長的人員在全球都處於短缺的局麵，因此要想設計出如圖 1 所示的高效能量收集係統一直是很困難的事。不過，隨著具有集成型低損耗全波橋式整流器的壓電能量收集電源LTC3588-1的(de)推(tui)出(chu)，這(zhe)種(zhong)狀(zhuang)況(kuang)即(ji)將(jiang)發(fa)生(sheng)改(gai)變(bian)。這(zhe)款(kuan)革(ge)命(ming)性(xing)的(de)器(qi)件(jian)能(neng)夠(gou)從(cong)幾(ji)乎(hu)所(suo)有(you)的(de)機(ji)械(xie)振(zhen)動(dong)源(yuan)或(huo)應(ying)變(bian)源(yuan)提(ti)取(qu)能(neng)量(liang)。此(ci)外(wai)，憑(ping)借(jie)其(qi)全(quan)麵(mian)的(de)功(gong)能(neng)組(zu)合(he)以(yi)及(ji)設(she)計(ji)的(de)簡(jian)易(yi)性(xing)，該(gai)器(qi)件(jian)還(hai)極(ji)大(da)地(di)簡(jian)化(hua)了(le)能(neng)量(liang)收(shou)集(ji)鏈(lian)中(zhong)難(nan)以(yi)完(wan)成(cheng)的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)設(she)計(ji)。對(dui)於(yu)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)而(er)言(yan)這(zhe)是(shi)個(ge)好(hao)消(xiao)息(xi)，因(yin)為(wei)此(ci)類(lei)“有效振動”可用於為其能量收集係統供電，而無須去應付傳統的配置難題。