适用于工业能源采集的技术

作者：Tony Armstrong，电源产品部产品市场总监，凌力尔特公司

放眼世界各地，工程师们都在提供旨在利用非传统型能源的新颖和革新方法，以解决现实问题。提升的安全性和易接近性、较低的维护成本、改善的能量效率和系统灵活性只是借助"采集"能量、无线检测和监视/控制系统所能获得的诸多好处中的一少部分。能源的高成本、新出台的政府条例和环境问题导致人们对于在各种场合中提高功率使用效率的需求大幅度地增长。新兴的可替代能源技术以及功率利用率的改善拥有在众多不同的市场之中实现性能突破的潜力。此外，不管从短期还是长期而言，能够利用这些新技术的新产品都意味着绝佳的成长机遇。

许多低功率工业传感器和控制器正在逐步转而采用可替代能源作为主要或辅助的供能方式。理想的状况是：这种采集能量将完全免除增设有线电源或电池的需要。利用现成的物理电源（例如：温差装置[热电发生器或热电堆]、机械振动[压电或机电装置]和光[光伏器件]）来产生电力的换能器正在成为许多应用的适用电源。众多的无线传感器、远程监视器和其他低功率应用正逐渐发展成为只使用采集能量的近"零"功率器件（有些人通常称之为"毫微功率"）。

虽然"能量采集"自2000年初就出现了（当时为其萌芽期），但只是凭借近期的技术发展才将其推进至商业化阶段。简而言之，2010年我们将迎来其"成长"阶段。运用能量采集技术的楼宇自动化传感器应用已经在欧洲得到推广，这说明其成长阶段可能已拉开序幕。

现有的应用证实了商业可行性

尽管能量采集的概念广为人知已有多年，但在某种实际环境中实现一个系统却很麻烦、复杂和昂贵。然而，采用了能量采集方法的市场实例包括交通运输基础设施、无线医疗设备、轮胎压力检测，楼宇自动化当然也在其中。就楼宇自动化而言，诸如占有传感器、温度自动调节器和光开关等系统能够免除通常所需的电源或控制线路，而代之以一个机械或能量采集系统。除了可以免除首先进行线路安装（或在无线应用中定期更换电池）的需要之外，这种替代方法还能减低有线系统往往存在的例行维护成本。

同样，运用能量采集技术的无线网络能够将一幢建筑物内任何数目的传感器连接起来，以通过在建筑物内无人的情况下切断非紧要区域的供电来降低采暖、通风和空调（HVAC）以及照明成本。此外，能量采集电子线路的成本常常低于检测线路的运行成本，因此，选用采集电能技术显然能够带来经济上的收益。

典型的能量采集配置或系统（由下面的图1所示的4个主要的电路系统模块来表示）通常包括一种免费能源，比如：连接在某个发热源（如HVAC管道）上的热电发生器（TEG）或热电堆。这些小型热电器件能够将很小的温差转换为电能。该电能随后可由一个能量采集电路（图1中的第二个模块）进行转换并被变更为一种可用的形式，用于给下游电路供电。这些下游电子线路通常将包括某种类型的传感器、模数转换器和一个超低功率微控制器（图1中的第三个模块）。上述元件可以获取该采集能量（如今以电流的形式存在）并唤醒一个传感器，以获得一个读数或测量结果，然后使该数据可通过一个超低功率无线收发器（由图1所示电路链中的第四个模块来表示）进行传输。

图1：典型能量采集系统的四个主要的模块

该链路中的每个电路系统模块（能源本身可能是个例外）都特有一组迄今为止有损于其商业可行性的约束条件。低成本和低功率传感器及微控制器面市已有相当长的时间；然而，超低功率收发器只是在过去的短短几年里才刚刚实现了商用化。不过，该链路中处于落后状态的则一直是能量采集器和电源管理器。

现有的电源管理器模块实现方案是一种低性能分立型结构，通常包括 35个或更多的元件。此类设计具有低转换效率和高静态电流。这两个不足之处导致了终端系统中的性能损失。低转换效率将增加系统上电所需的时间，这反过来又延长了从获取一个传感器读数至传输该数据的时间间隔。高静态电流则对能量采集电源能够低到何种程度有所限制，因为它首先必须超越操作所需的电流水平，然后才能将任何剩余的能量用于给输出供电。最后，它还需要非常高深的模拟开关模式电源专门知识，而拥有此项专长的人才都很短缺！

"缺失的一环"（您要这么说也未尝不可）一直是能够采集和管理来自极低输入电源电压剩余能量的高集成度DC/DC转换器。不过，这种状况即将发生改变。

缺失的一环

凌力尔特近期推出了其LTC3108，这是一款超低电压升压型转换器和电源管理器，专为极大地简化采集和管理来自极低输入电压电源（例如：热电堆、热电发生器[T