Q&A：能量采集知多少 凌力尔特技术讲堂（二）

功能，当处理微型功率电源时，该功能不可忽视。LTC3331 包含对电池充电器的逻辑控制，以便仅在能量收集电源有多余能量时，才给电池充电。如果没有这一逻辑功能，能量收集电源启动时就会在某些非最佳工作点上卡住，不能在启动时给预定应用供电。当收集能源不再可用时，LTC3331 自动转换到电池。这又增加了一个好处，即如果适合的能量收集电源至少在一半时间可用，就允许电池供电 WSN 将其工作寿命从 10 年延长至超过 20 年，而如果能量收集电源的存在更加普遍，那么甚至能将电池寿命延长至更长时间。该器件还集成了一个超级电容器平衡器，从而允许增加输出能量存储。除了不断增加的可选能量收集方法，物联网 (IoT) 也会受益于无线充电方法的改进，因为无线充电使得能够在物理接触不可行的地方给电池充电。

问 3：由于要处理的能量仅为微瓦(μW)级，且涉及众多相关硬件及软件。您认为在进行能量采集系统设计时，工程师需要重点考虑的因素有哪些?

答 3：WSN 本质上是一种自含式系统，由某种换能器组成，可将环境能源转换成电能，其后通常是一个 DC/DC 转换器和管理器，以用合适的电压和电流向下游电子组件供电。下游电子组件由微控制器、传感器和收发器组成。

在实现一个或多个 WSN 时，一个需要很好考虑的问题是：运行这个 WSN 需要多少功率? 从概念上看，这个问题似乎相当简单易懂。然而实际上，由于一些原因，这个问题有点儿难以回答。例如，需要间隔多长时间获取一次读数? 或者更重要的是，数据包多大? 需要传送多远? 这是因为，就获取一次传感器读数而言，在系统所用能量中，收发器消耗大约 50%。表 1 概述了一些影响 WSN 能量收集系统功耗特性的因素。

表 1：影响 WSN 功耗的一些因素

当然，能量收集源提供的能量取决于该电源能工作多长时间。因此，能量收集电源的主要比较标准是功率密度而不是能量密度。能量收集系统通常会提供很低、可变和不可预测的可用功率，因此常常使用一种包括收集器和辅助电力储存器的混合架构。由于能源供应无限而功率不足，收集器成为了系统的能源。辅助电力储存器 (电池或者电容器) 产生较大的输出功率，但是存储的能量较少，在需要时供电，否则定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有环境能源可供收集电力的情况下，辅助电力储存器必须用来给 WSN 供电。当然，从系统设计师的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在必须考虑，必须在辅助电力储存器中存储多少能量以补偿环境能源的不足。只是，他们究竟需要储存多少能量将取决于如下一些因素：

1. 没有环境能源的时长
2. WSN 占空比 (即必须进行数据读取和发送的频度) 
3. 辅助电力储存器的大小和类型 (电容器、超级电容器或电池)
4. 可用环境能源是否足够? 能够既充当主能源，又能余出充足的能源给辅助电力储存器充电，以当环境能源在某些规定时段不可用时可给系统供电

最新和现成有售的能量收集产品 (例如振动能量收集产品和室内光伏产品) 在典型工作条件下产生毫瓦量级功率。尽管这种量级的功率看似有限，但是收集组件在若干年中一直工作可能意味着，这些产品与长寿命的主电池大致类似，无论从能量供给还是从每能量单位成本来看，都是这样。此外，采用能量收集技术的系统一般能够在电量耗尽之后再充电，这是主电池供电系统做不到的。

环境能源包括光、热量差、振动波束、发送的 RF 信号或其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。下表 2 说明了不同能源可产生能量的多少。

表 2：不同能源及其能够产生能量的多少

成功设计完全自含式无线传感器系统需要可方便得到的节能微控制器和换能器，这些微控制器和换能器在能量很低的环境中消耗的最少电能。幸运的是，低成本和低功率传感器和微控制器已经上市两三年左右了。不过，直到最近，超低功率收发器才开始进入商用。

模拟开关模式电源设计专长在全球都处于短缺状态，一直以来都难以设计出有效的能量收集系统。主要障碍在与远程无线检测有关的电源管理方面。幸运的是，凌力尔特等公司已经推出了多种能量收集 IC，在 WSN 设计的电源转换和系统管理方面提供了方便。

问 4：您对能量采集技术/市场今后的发展趋势有何判断? (例如