可用于能量收集的有效振动

作者：凌力尔特公司电源产品部产品市场总监 Tony Armstrong


背景
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：这种收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近"零"功率的器件，而且只使用收集能量 (有些人通常称之为"毫微功率")。

虽然"能量收集"自 2000 年初就已出现 (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 年我们处在一个转折点并将迎来其"成长"阶段。运用能量收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。

现有应用证实了能量收集的商业可行性
尽管能量收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，采用了能量收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，而迄今为止最大的市场便是楼宇自动化。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收集系统。

同样，运用能量收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，能量收集电子线路的成本常常低于电源线路的运行成本，因此，选用收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 (由下面图 1 所示的 4 个主要电路系统模块来表示) 通常包括一种免费能源，例如：连接在某个振动机械源 (如 HVAC 管道或窗玻璃) 上的压电换能器。这些小型压电器件能够将很小的振动或应变差转换为电能。该电能随后可由一个能量收集电路 (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)。上述组件可以获取该收集能量 (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。

 
         免费能源            能量收集器/管理器        传感器、A/D、微控制器        无线发送器/接收器

图1：典型能量采集系统的四个主要模块

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几年的时间；然而，超低功率收发器只是到最近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收集器。

现有的电源管理器模块实现方案往往采用低性能的分立型结构，通常包括 30 个或更多的组件。此类设计具有低转换效率和高静态电流。这两个不足之处均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收集电源能够低到何种程度有所限制，因为它首先必须超越其自身操作所需的电流水平，然后才能将任何多余的功率提供给输出。

新型压电式能量收集器
迄今为止，人们所缺少的一直是能够收集和管理来自振动源或应变源的压电能量、并具有低损耗全波桥式整流器的高集成度、高效率 DC/DC 降压型转换器。不过，凌力尔特推出的新型 LTC3588-1 压电式能量收集电源极大地简化了从此类能源收集剩余能量的工作。

图 2 中示出的电路采用了一个小型压电换能器，用于将机械振动转换为一个AC 电压电源，以馈入 LTC3588-1 的内部桥式整流器。它能够收集小的振动能源并生成系统电源，而没有使用传统的电池电源。

图2：LTC3588-1 电路将振动源或应变源转换为电流

LTC3588-1 是一款超低静态电流电源，专为能量收集和/或低电流降压应用而设计。该器件可直接连接至一个压电电源或 AC 电源，对电压波形进行校正并将收集的能量存储在一个外部电容器上，通过一个内部并联稳压器泄放任何多余的功率并借助一个毫微功率高效降压型稳压器来保持一个已调输出电压。