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能量采集技術的發電元件 [2015/1/28]

能量采集技術的發電元件

發電元件
太陽能電池、壓電元件和熱電元件所産生的電能、輸出電壓和産生環境如圖3

所示。每種元件産生的電能根據其尺寸和産生環境的不同而變化。将其集成

到設備中時,需要全面了解以下情況:
● 可以獲得何種能源;
● 設備适合安裝何種尺寸的元件;
● 在設備中電能的産生與消耗之間會存在怎樣的平衡。
不同類型的常見能量采集技術,擁有不同的生成功率、輸出電壓和産生能量

的環境因素。
還需要選擇一個與發電元件相匹配的電源IC。特别是發電元件輸出的電壓/電

流/輸出特性(AC或DC)将根據元件的不同而變化,因而有必要選擇一個能提供

最佳效果的電源IC。
無線電源需求
與發電元件相同,無線傳感器網絡終端的無線通信方式的選擇,也必須與其

傳輸目的相匹配。需考慮的主要方面包括通信距離、将要搭建的網絡類型、

數據傳輸量、應用及功耗。在與能量采集技術結合使用時,關注的重點是低

傳感器終端選用的無線協議應符合應用的需求。此表提供了各種指标的詳盡

信息。
近年來,物聯網(IoT) 與機對機( M2M ) 市場和技術引起了人們廣泛的關注

。物聯網與機對機的概念不僅是指個人電腦和手機通過互聯網相連,而且包

括所有數十億個“物體”和設備為提高其使用效率而通過互聯網或局域網實

現的無線互聯。伴随這數十億個物體而來的,還有必須購買、維護和處置的

數十億塊電池。為此,能量采集技術提供了一個直截了當的解決方案,使用

清潔能源輕松地為這些設備遠程充電。
物聯網上的物體和設備當中包括傳感器配備的無線終端。無線傳感器終端連

接上網後,将會采集其周圍的環境信息。
這些終端使用了測量溫度、濕度、光照、運動、壓力、應力、失真、位置、

流速和氣體等多種類型的傳感器。放置的傳感器終端數量越多,所采集到的

數據就越多元化,精确度也越高。此類信息通常被稱為大數據,将有助于實

現過去難以企及的設備控制、監測和預報功能,以及提供全新的雲服務和業

務。
物聯網與機對機的發展将對社會産生了重大影響,這要歸功于半導體器件的

演變和無線技術的進步,因為元器件級的變革将推動設備朝着無線、更小巧

和更高效的方向發展。裝上電池後,無需電線就可以将設備放置在各種不同

的地方。
電池問題
如上所述,物聯網與機對機的一個重要需求是,能夠在各種各樣的地方放置

無線傳感器終端收集數據。但是其中有一個很大的問題:配電線路的安裝,

或是使用電池情況下的電池壽命或電池更換時間。隻使用一、二十塊電池時

沒有人會認為這是個問題,但當數量達到一萬、一百萬或一億時,就不僅要

考慮電池的成本,還要考慮巨額的維修費用。這是人們關注無線傳感器終端

普及的一個重要原因。
能量采集技術可以提供一種解決方案。它使用太陽能電池、壓電元件和熱電

元件等發電元件将光、振動和熱能轉化為電能,然後有效地加以利用。
得益于半導體在提高發電元件的性能與降低有源器件的耗電量之間找到了平

衡,這些技術現在可以應用于現實生産。這是人們紛紛關注于這一關鍵技術

的原因,它可以解決作為物聯網組成部分的無線傳感器終端的普及問題。
能量采集終端的内部結構
無線傳感器終端由感知周圍環境的傳感器、處理采集數據并控制系統的微控

制器(MCU)和進行無線通信的無線芯片組成。與發電元件相匹配的電源IC取代

了過去的鈕扣電池和幹電池。
在能量采集無線傳感器終端中,能量采集器和電源管理IC取代了鈕扣電池和

幹電池。
與這些發電元件相匹配的電源IC包括用于光和振動發電元件的超低功耗DC/DC

降壓轉換器MB39C811;以及用于光和熱發電元件的支持超低輸入電壓的DC/DC

升壓轉換器MB39C831。
選擇發電元件時必須首先考慮,從周圍環境中采集的能量,其類型是振動、

光還是熱能。最常用的類型是太陽能、壓電和熱電。用于發電元件的電源IC

能夠無損、高效地從該元件收集電能,并向後級IC提供穩定的電能,這也同

樣重要。
平衡産生與消耗
在使用能量采集技術時,需要考慮的一個重點是,努力達到電能産生與消耗

的平衡。這是因為如果電能的産生小于消耗,設備将無法工作。盡管發電元

件的發電特性在逐年提高,但還是很難為現有條件下的設備持續提供足夠的

電力。解決該問題的一個方法是将産生的電力收集到電容中,并間歇性地執

行傳感器操作,從而平衡電力的産生和消耗。
為此,設計人員需要準确了解發電元件的發電環境、所産生的電能及其所需

時間,以及設備的功耗和耗電時間。圖5演示了使用發電時間、電能采集時間

和耗電時間,解決電力産生、采集和消耗平衡的要點。
平衡設備能量采集與需求的方法之一是,連續采集能量而間歇性地操作無線

傳感器終端。
能量采集開發工具
為了平衡電能的産生與消耗,設計人員需要計算電能采集元件(電容器)的電

能采集時間和可用的電負荷等因素,從而确定電容器的最佳尺寸。即使在可

以準确估算出電能産生和消耗的情況下,該操作也需要反複試驗。此外,當

電能産生和消耗的估算不準時,必須計算出每種情況下的最優值,或與實際

設備進行确認。Spansion公司開發出的網絡工具Easy DesignSim可以讓任何

人輕松地計算和研究能量采集技術,隻需簡單的注冊便可使用。
從頭開始進行前面描述的開發和調查将具有相當的挑戰性。能量采集入門套

件(Energy Harvesting Starter Kit)可以簡化和加速使用能量采集技術的無

線傳感器終端的開發(見圖6)。工作在2.4GHz頻段的射頻器件包含有對低功耗

優化的原始協議。希望替代ZigBee和藍牙等低功耗無線協議的設計人員隻需

将射頻器件更換為相應的芯片或模塊即可。該微控制器(MCU)是一個内置

Spansion ARM Cortex-M3内核的FM3 MCU,因此用在ARM開發環境中時,可以

實現各種定制化特性。
能量采集入門套件包括對最低功耗優化的原始無線協議和内置Spansion ARM

Cortex-M3内核的FM3 MCU。
一款利用能量采集技術驅動BLE信标的入門套件,支持太陽能電池和壓電元件

,以及更多的傳統選擇。
另一款入門套件利用能量采集技術驅動BLE信标讓嵌入式設計人員

能夠進行調研。太陽能電池或壓電元件可以連接起來作為發電元件,該套件

還可以使用交流輸入、USB供電或天線連接的無線電源。
使用能量采集電源IC的實際設備液位計液位變送器的開發工作,在許多地

區和應用領域都取得了進展。在某些情況下,能量采集技術催生了無電池的

無線傳感器終端。而在其他情況下,同時采用電池和能量采集技術,可以延

長電池的壽命。這樣,采用能量采集技術的電容式液位計電容式液位變送器

傳感器和無線傳感器終端獲得了加速發展。

在未來的幾年中,擁有該技術的無線傳感器終端将随處可見。為能量采集而

設計的電源管理IC,以及低功耗MCU将不斷推動物聯網的發展。
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