讓WSN節(jié)點不斷電新能源采集系統(tǒng)加速取代電池

1、讓wsn節(jié)點不斷電 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)換效率已較過去顯著提升，因而吸引愈來愈多無線感測網(wǎng)路(wsn)節(jié)點裝置設計人 員，以能量采集技術取代傳統(tǒng)電池供電方式，從而降低長期維護成本。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，過去能 源采集的傳統(tǒng)方法，往往是藉助太陽能板和風力發(fā)電機，不過，新的能源采集工具讓使川者 能運用各式環(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

2、械振動、光 伏元件川于轉(zhuǎn)換陽光，并r上述工具將進一步將這些環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成為可川的電能。這些能 源采集元件能夠為遠端感測器供電或?qū)﹄娔苡洃涹w(例如電容器或薄膜電池)進行充電，并對 微處理器(mpu)或發(fā)送器實施遠端供電，而毋須使川本地電源?；蛟S有人會認為，在整個能量采集過程屮直流對直流(dodc)轉(zhuǎn)換器電路的轉(zhuǎn)換效率是最為 關鍵的因素，然而事實并非如此。整個無線感測網(wǎng)路(wsn)的轉(zhuǎn)換效率才是最重要的。推理 過程十分簡單，透過估算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，因此對于任何應用產(chǎn)品，wsn轉(zhuǎn)換效率系決定整體方案z實用性的重要 關鍵?，F(xiàn)行能量采集技術如振動

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 的功率。如此低的功率似乎川起來很受限，但無論就能量供應還是就所捉供的每能量的單位 成木而言，這些技術大體上已可與長壽命的主電池匹敵。此外，新能源采集系統(tǒng)能在電能耗 盡后再充電，而這一點主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。矽能量來源及其所能產(chǎn)生的能量值能量源i所產(chǎn)生的典型能量級別 . 1 典型應用小型太陽能電池板幾百mw/cm2（直射陽光）掌上型電子設備小型太陽能電池板幾百uw/cmq非直射陽光）手持無線感測器塞貝克（seebeck）元件 （用於將熱能轉(zhuǎn)換為電能）幾+uw/cnv（購熱）遠程無線感測器塞貝克元件幾十mw/cm2 （高爐排氣煙國

4、）遠端無線執(zhí)行器壓蠱元件（通過元件的 擠壓或撓曲來產(chǎn)生能）幾百u w/cm2掌上型審子設備或 遠端無線執(zhí)行器來自天線的射頻（rf）能討幾百pw/cm2遠?廠1壞境能源包插光、溫差、振動波束、己發(fā)送的射頻（rf）訊號，或者任何具他能通過換能器產(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)換效率感測器實鵝訊號至電訊號轉(zhuǎn)換 支援組件的複雜性訊號採樣訊號處理adc採樣速率 混香高頻抖動微處理器內(nèi)核工作頻率 工作 功率與處理及計算負載 成上匕例 環(huán)境溫度 應用代碼 外部設備利用率射頻調(diào)變

5、方案 資料速率 傳送範圍 工作週期上當試圖實現(xiàn)單個或多個wsn能源采集系統(tǒng)時，所須要考慮的是整體系統(tǒng)運作需要多少功率。從原理上而言，這似乎相當直覺明瞭，然而，在現(xiàn)實中由于諸多因素的影響而使其難度略有 增加，測試者須得知獲取讀數(shù)的頻率是多少?資料封包將會多人?系統(tǒng)須要將讀數(shù)傳送到多遠 的地方?對于單顆感測器讀數(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/輔助電能儲存器互助確保wsn供電無虞 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)的時間，因此衡暈新能源采集系統(tǒng) 的主耍標準為功率密度，而非能量密度。能源采集系統(tǒng)一般會遇到變動和不可預

6、測的可用功 率，因而須采用能源采集器和輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構。由于采集器可有無限的能址 供應而成為系統(tǒng)能源，而輔助電能儲存器（一個電池或一個電容器）可產(chǎn)牛較高的功率，但儲 存的能量較少，示者僅在必要的時候供電，其他悄況下則定期從采集器接收電能，所以wsn 在沒有可供采集功率的壞境能源時，必須以輔助電能儲存器供電。從系統(tǒng)設計人員的角度而言，這將進一步增加設計復雜程度，因為他們必須考慮一個問題 為對缺乏環(huán)境能量源的wsn提供補償電力，應在輔助儲存器中存儲多少能量?其取決 的因素包括能量采集器缺乏環(huán)境能量源的時間長度、wsn工作周期比（即資料讀取和傳輸操 作必須具備的頻率）、輔助儲存器（電容器

7、、超級電容器或電池）的人小和類型、壞境能量是 否可提供既能充當主能量源，同時又擁有充分剩余能量為輔助電能儲存器充電？以下將就能 源采集應用的dodc轉(zhuǎn)換ic特性概述，一般而言，為能量采集應用所接納和采用所需的必 要ic性能特征包括： 低待機靜態(tài)電流 運作電流通常小于6微安培®a）,并可低至450奈安培（na）低啟動電壓低至20毫伏特（mv）高輸入電壓能力 高達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動極性操作 針對太陽能輸入的最大功率點控制(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車能源采集系

8、統(tǒng)逐漸嶄露頭角 在可替代能源所帶來的諸多發(fā)展契機中，太陽能供電型電子裝置市場為絕佳例子，在各家公 司致力尋求降低功耗之方法的悄況下，太陽能供電型電了設備的市場呈持續(xù)成長的態(tài)勢。以 智慧電表為例，為降低運行能源成本，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 能量源來供電，而太陽能即為豐富的能量來源。然而，鑒于太陽能電源變化無常且不可靠, 所以兒乎所有的太陽能供電型設備都配有可再充電電池，因此，汲取盡可能多的太陽能以對 這些電池進行快速充電并保持其電荷狀態(tài)為系統(tǒng)設計的重要目標。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模式中將必 須具非常低的靜態(tài)電流，以延長電池使用壽命，而目前業(yè)界已能提供一系列靜態(tài)電流水準低 于25微安培的晶片。所有因應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。由于市場對能源成木 和壞境問題的關注以及延長行動裝置電池使用壽命的需求升溫，業(yè)界對于包括智憩電網(wǎng)在內(nèi)