回顧歷史,傳統上各種不同類型的感測器靠導線連結到電源;然而如今面對的問題不再是圍繞場地設施佈建電纜的挑戰和費用,因為現在可以安裝可靠、工業級強度的無線感測器,這些感測器可以靠一顆小型電池、甚至可以依靠光、振動或溫度變化中採集的能量來運作多年的時間。

另外也可以透過可充電電池與多種環境能源的組合搭配來為系統供電;同時,由於內在的安全問題,有些充電電池無法以有線方式充電,需要透過無線充電。

最新和現成的能量採集技術,例如壓電換能器(piezo transducers)或室內光電電池(photovoltaic cells),在典型工作條件下產生毫瓦(mW)量級的功率。儘管這個量級的功率看似有限,但是能量採集元件在若干年內的持續運作,可能意味著無論從所提供的能量還是從單位能量的成本上來看,能量採集產品與長壽命主電池都大致相同。

此外,採用能量採集技術的系統一般能夠在電量耗盡後再充電,而僅由主電池供電的系統卻做不到這一點。因此加入能量採集以供電感測器的額外成本,將被每7~10年需更換主電池的維護成本抵銷。

克服挑戰

人們常常在周圍充滿能源的環境中看到無線和有線感測器系統,這種環境能源非常適合用來為感測器供電。例如,能量採集可以大幅延長已安裝電池的壽命,尤其當功率要求較低時,而降低了長期維護成本,減少了當機事件。

儘管有這麼多好處,但是在能量採集的採用上始終存在一些障礙。最顯著的是,環境能源常常是間歇性的,或者不夠為感測器系統連續供電,而主電池電源在其額定壽命期內是極其可靠的。系統設計者也許不願意將系統升級為可以收集環境能源,尤其是當無縫整合非常重要時。

大多數解決方案會以環境能源為主電源,電池則做為備用電源,如果環境能源消失或中斷提供,就可以將電池轉接進來。這種電池可以是、也可以不是充電型電池,是否用可充電電池,通常由最終應用本身決定。

所以設計原則是,如果最終部署環境易於進入,方便一次性電池的更換,維護人員就可選擇較經濟實惠的一次性電池方案。如果更換電池耗時費力、成本高昂,那麼採用充電電池就更具有經濟意義。

即使選擇了充電電池,為電池充電的最佳方法仍然需要探討。以下一些因素會影響設計考量:是否存在有線電源來為電池充電;環境能源是否提供充足的功率,足夠同時為無線感測器網路(WSN)供電以及為電池充電;是否由於內在安全要求以及由於部署存在危險性,而需要透過無線充電方式來為電池充電。

無論特定能源採集建置所要求的方案為何,目前有許多IC 解決方案可以提供系統設計者需要的效能特性,以滿足系統所需。例如凌力爾特的LTC3107透過採集和管理來自極低輸入電壓電源──例如熱電發電機(Thermoelectric Generators,TEG)和熱電堆(thermopiles)──的多餘能量,延長了低功率無線系統中主電池的壽命。

另一款凌力爾特的LTC3331則是一款完整的穩壓能量採集方案,提供50mA的連續輸出電流,以在可採集能源可用時延長電池壽命;當所採集的能量為負載提供穩定功率時,該元件不需電池提供電源電流,在無負載情況下用電池供電時,該元件僅需要950nA工作電流。

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LTC3331 轉換多個能量來源並使用可再充主電池。



為了便於將環境能量採集導入各種新型和現有的主電池供電應用,如凌力爾特等業者推出專為與不同電池電壓工作而設計的能量採集IC,包括大多數在低功率應用中常見的長使用壽命電池,例如3V鋰離子鈕扣電池和3.6V鋰亞硫酰氯(lithium-thionyl chloride)電池。這些產品在實現電池供電可靠性的同時,也能讓工程師花最少的設計心力達到能量採集維修成本的節省。