Q&A：能量采集知多少 凌力尔特技术讲堂（二）

问 1：微能量采集并不是一个全新的概念，但一直以来似乎并没有得到真正的广泛应用，您认为最大的原因是什么?

答 1：能源监管要求、不断上升的运行成本以及日益壮大的环保运动都在促使能量收集 (EH) 应用采用无线传感器网络 (WSN)。尽管以前的 WSN 产品 (用于工业机械、农业、结构健康监视) 留下了分散的市场，但是多年来整个行业一直在努力用 IP 平台统一传感器网络，以简化开发、吸引新公司进入并鼓励创新。同时这个行业也在尝试消除一些迄今为止一直制约 WSN 成为主流的成本和可靠性问题。

然而，WSN 是一种颠覆性技术，可使安装成本降低多达 80%，并支持用有线网络不可能支持的多种应用，提高建筑物的环保性和"智能性"。由于几乎在任何地方都可以安装传感器，所以任何规模的建筑物都可以优化其能耗、提高安全性并降低运行费用。请注意，在建筑物中，供暖、通风及空调 (HVAC) 系统安装的 WSN 占目前 WSN 安装总量的 2/3，接下来是照明和门禁控制。据预测，未来 5 年内，将安装 1500 万个无线传感器节点，这些节点或者需要电池供电，或者由环境能源供电，或者可能是二者组合的供电方式。

因此，任何面向环保能源或能量收集的产品在 2015 年及以后都有增长机会。能源成本和环境问题以及延长移动设备电池寿命的需要都导致人们关注为多种应用优化电源的问题。

问 2：想要将收集到的能量真正排上用场，既需要解决芯片自身低功耗的问题，还要考虑如何大幅提高转换效率。这对能量采集芯片设计提出了哪些新的挑战? 贵公司有哪些相应解决方案？

答 2：我们周围有大量环境能源可用，常规能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的能量收集工具允许我们用多种环境能源产生电能。此外，电路的能量转换效率并不重要，重要的是可用来给电路供电的"平均收集"能量。例如，热电发生器将热量转换成电能、压电组件转换机械振动、光伏器件转换太阳光 (或任何光子源)、以及从潮气的电流转换器能源。这样一来，就有可能给远程传感器供电，或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电，以便给远程微处理器或发送器供电，而无需当地电源。这就为凌力尔特的能量收集产品创造了机会，使这些产品成为可能的解决方案。

总之，要进入替代能源市场，IC 必须具备以下性能特点：

• 备用静态电流很小 – 典型情况下低于  6µA，最低达 450nA
• 启动电压很低 – 低至 20mV
• 能够接受很高的输入电压 – 高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压
• 能够处理 AC 输
• 能够提供多路输出和自主系统电源管理
• 自动极性运行
• 面向太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)
• 能够从低至 1ºC 的温度变化中收集能量
• 解决方案占板面积紧凑和最大限度减少所需外部组件

凌力尔特已经推出了多种能量收集 IC 产品，这些器件包括上述很多特性。最近推出的一款产品是 LTC3331，这是一款能量收集和电池寿命延长器，如图 1 所示。

图 1：LTC3331 能量收集器和电池寿命延长器

LTC3331 是一款完整的能量收集调节解决方案，在可收集能源可用时，提供高达 50mA 的连续输出电流，以延长电池寿命。当该器件用收集的能量向负载提供稳定功率时，不从电池获取电源电流，而在无负载情况下用电池供电时，仅消耗 950nA 电流。LTC3331 集成了一个高压能量收集电源，还有一个用可再充电电池供电的同步降压-升压型 DC/DC 转换器，可为能量收集应用 (例如 WSN 中的能量收集应用) 提供单路不间断输出。

LTC3331 的能量收集电源由全波桥式整流器组成，适用于 AC 或 DC 输入以及高效率同步降压型转换器，从压电 (AC)、太阳能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分路电流允许用收集的能量简便地给电池充电，同时电量低时断接电池的功能可保护电池免于深度放电。可再充电电池为同步降压-升压型转换器供电，该转换器在 1.8V 至 5.5V 输入范围内工作，当收集能量不可用时，无论输入高于、低于或等于输出，该转换器都用来调节输出。LTC3331 电池充电器有一种非常重要的电源管理