设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素

启动电压，系统设计师就可以确定，该压电器件是否能给无线传感器节点加电。以 Mide 公司的 V21BL 压电传感器和 LTC3588-1 压电能量收集电源为例。图 4 显示的是，使用 Mide V21BL 压电传感器，质量点为 0.22克，共振频率为 120Hz 时，开路电压随峰值 g 值变化的实验室数据。

图 4：Mide V21BL 系列开路电压随峰值 g 值的变化曲线

Operational Area：工作区
Peak g_level (g)：峰值 g 水平 (g)
0.22 grams：0.22 克

图 5 含有一个脉冲负载测试电路，该电路采用 LTC3588-1，而且在该电路中，存储在电压 VIN_UVLO_RISING 和 VIN_UVLO_FALLING 之间的输入电容器 CSTORAGE 中的所有能量都传送到输出端，并消耗在 LED 中。在一个 WSN 中，存储的能量如上所述会用来给微处理器、传感器和发送器供电。视输出电压设定点的不同而不同，LTC3588-1 有两个输入 UVLO 上升和 3 个 UVLO 下降设置值。就 3.3V 输出而言，UVLO 上升门限是 5.05V，UVLO 下降门限是 3.6V。图 5 中的电路用来决定压电器件为 LTC3588-1 提供的可用功率。如果在频率为 120Hz 时将 0.73g 的峰值加到压电器件上，那么 36uF 的输入电容器从 UVLO 下降门限充电到 UVLO 上升门限需要 18.5 秒的时间。因此，存储在输入电容器中的能量 E 和压电器件提供的平均功率输出可计算如下：

图 5： LTC3588-1 测试电路，用于估算压电传感器提供的可用功率

OUTPUT VOLTAGE SELECT：输出电压选择
Green LED：绿光 LED

巧合的是，该测试电路的输入电容器中存储的能量 (226uJ) 约等于上述无线传感器节点模型所需的能量 (该节点需要 227.7uJ)。该压电传感器在频率为 120Hz、加速度为 0.73g 时提供的平均功率为 12.2uW。该应用基于 60 秒发送时间间隔的功率需求仅为 3.8uW。该分析未考虑该应用休眠电流的影响，休眠电流如果没有最小化，会极大地延长再充电时间并降低发送速度。如果休眠电流保持在非常低的水平，那么该压电器件的发送频度可以比规定的 60 秒高大约 3 倍，即每隔 20 秒一次。

在确定输出电容器的大小时，将假定应用从 3.3V 直至 3.0V 都能运行，因此应用的能量需要存储在这个窄的电压范围内。另外，要求输出电容器提供的能量必须考虑到最初的网络配置，最初的网络配置需要 3 倍于单次发送事件所需的能量。那么最小的输出电容器 Cout_min 可以计算如下：

COUT_MIN = EOUT * 2/(VHIGN2 – VLOW2)
      = (3* 227.7uJ) * 2/(3.32 – 3.02)
      = 723uF
就输入电容器而言，有两种选择。如果应用要求输出电容器在每个 UVLO 上升事件时充电，那么输入电容器需要在输入 UVLO 迟滞中存储足够的能量，以给输出电容器充电并为负载供电。或者，还可允许输出电容器由多个 UVLO 上升事件充电，在这种情况下小得多的输入电容器值就足够了。那么，确定在一个 UVLO 事件中给输出电容器充电的最小输入电容值的等式如下：

CIN > (EOUT/Eff + 0.5 * COUT * VOUT_PEAK2) / {(0.5 * (5.052 – 3.62)}
      = {(3 * 227.7uJ) + 0.5 * 723uF * 3.32} / {0.5 * (5.052 – 3.62)}
      = 736uF
在 VIN 低于 UVLO 上升门限且输出未稳定时，LTC3588-1 具 450nA 的静态电流，因此所收集的能量能够最大限度地用来给输入电容器充电。第一次输出发送将需要比后续发送较长的时间，因为输入电容器是靠地电平而不是 UVLO 下降门限启动。第一个脉冲的启动时间 TSTART_UP 由以下等式给出：

   TSTART-UP = 0.5 * CIN * (VUVLO_RISING)2 / PAVG
                   = 0.5 * 736uF * (5.0)2 / 12.2uW
                       = 754.1s (12.5min)

如果该时间不能接受，那么就考虑增加薄膜电池或其他电池来实现永久能量存储。Infinite Power Solutions、Cymbet Corporation、Autec Power Systems、GS Nano Tech Company等供应商都提供薄膜电池。将薄膜电池集成到该解决方案中时，LTC4071 并联充电器/电池断接电路可用来保护薄膜电池免受深度放电引起的损坏，这通常是电池组保护电路的功能。图 6 显示了一个适用于 WSN 的典型的 LTC3588-1 和 LTC4071 应用电路。

 
图 6：采用 LTC3588-1 和 LTC4071 的 WSN 电源管理解决方案，LTC4071 用于薄膜电池或可再充电锂离子电池，从而无需内部电池组保护电路