所有这些能量收集的东西究竟意味着什么?

引言

便携式电源应用领域既广泛又多样化。从仅消耗几微瓦平均功率的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦时电池组的推车式医疗或数据采集系统，产品种类非常丰富。不过，尽管产品种类繁多，这一领域呈现的发展趋势却比较集中，即：设计师所设计的产品不断需要更大的功率，以支持日益增多的功能；设计师要求用任何可用电源都能给电池充电。第一种趋势意味着增大电池容量。不幸的是，用户常常没有那么大的耐心，所以增大的容量必须能够在合理的时间内充完电，这又导致充电电流增大。第二种趋势需要电池充电解决方案具有极大的灵活性，因为这类解决方案需要应对多种输入电源和功率。

幸运的是，在功率范围的低端，是能量收集系统的毫微功率转换需求，例如在 WSN 中常见和必须使用电源转换 IC 的能量收集系统，这类系统处理非常小的功率和电流，可能分别是数十微瓦的功率和几纳安的电流。

最新的和现成有售的能量收集产品，例如在振动能量收集和室内光伏电池中使用的能量收集产品，在典型工作条件下，能产生毫瓦量级的功率。尽管这种量级的功率看似有限，但是收集组件在很多年之中的运行意味着，就能量供应和每能量单位的成本而言，能量收集产品与长寿命的主电池可以做到大致相似。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，而由主电池供电的系统则做不到这一点。不过，大多数情况下，会采用环境能源作为主电源，而用主电池补充环境能源，如果环境能源消失或受到干扰，就可以接通主电池。

能量收集 WSN

我们周围有丰富的环境能源，传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们利用多种环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而是"平均收集到"可用来给电路供电的能量之多少。例如，热电发生器将热 (或冷) 转换成电，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 (或任何光源)，通过化学作用产生电流的组件转换潮气为能量。这使得有可能给远程传感器供电，或者给电容器、薄膜电池等存储器件供电，这样就能给地处偏僻的微处理器或发送器供电，而无需本地电源。

一般而言，在非传统能源市场使用的 IC 必须具备的性能特点如下：

• 很小的备用静态电流：一般情况下低于 6µA，最低可低至 450nA
•  很低的启动电压：低至 20mV
•  很强的输入电压能力：高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压
•  能够处理 AC 输入
•  多输出能力和自主的系统电源管理
• 自动极性工作
•  面向太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)
• 能够从低至 1°C 的温度变化中收集能量
•  外部组件最少和占板面积紧凑的解决方案

WSN 基本上是自含式系统，由某种换能器组成，以将环境能源转换成电信号，其后通常跟随的是 DC/DC 转换器和管理器，以用合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件通常由微控制器、传感器和收发器组成。

在尝试实现 WSN 时，一个需要考虑的问题是：需要多少功率才能使该 WSN 运行? 理论上，这个问题似乎相当简单；然而，现实情况是，由于一些因素使这问题有点难以回答。例如，获取读数的频度有多高? 或者，更重要的是，数据包会有多大? 数据需要传送多远? 这是因为，就获取一次传感器读数而言，收发器大约消耗系统所用能量的 50%。有几种因素会影响 WSN 能量收集系统的功耗特性。参见表 1。

表 1：影响 WSN 功耗特性的因素