【導讀】為了能夠從遠程位置捕獲數據，專為物聯網 (IoT) 而開發的傳感器節點需要實現盡可能長的電池續航時間。 理想的情況是，完全不需要使用電池，因為使用電池會使系統管理變得復雜很多，需要向交通不方便的地方運送電池，進而產生高昂的運輸費用。
相反，系統應從自身環境收集能量——通過光伏元件、射頻能量、壓力以及熱能、空氣流動或流體運動進行收集。 例如，流量表理論上可從其測量的介質收集能量，從而實現能量自給。 壁裝式傳感器可從照射到其表面的光收集能量。
實際上，電子傳感器系統的能效很低，不能夠完全依賴環境能量收集。 但是，通過盡可能利用環境能量，可以延長電池續航時間——雖然這樣做會使系統設計變得復雜。
關鍵問題是，電能很難收集，因為它要么在電壓很低時出現，要么在電壓很高時出現，且兩種情況都存在相位難題。 因此，需要有專門技術來處理輸入，包括提供能夠處理低壓高阻抗電源的升壓轉換器，很多能量收集模塊都向系統提供這種電源。 此外，升壓轉換器等電路可能會產生高頻噪聲，干擾無線電通信。 系統應能應對這些情況。
進一步的要求是，應能支持最大功率點跟蹤 (MPPT) 功能，對于光伏發生器和熱電發生器而言尤其如此。 每個光伏模塊都有其電流-電壓 (IV) 特性曲線，該曲線不僅取決于入射光，還取決于溫度。 該曲線確定可實現最大程度能量收集的電壓。 偏離該電壓可能會減少收集到的電流，繼而導致收集到的能量減少。
圖 1：光伏收集器的 IV 曲線。
溫度也會影響模塊的峰值輸出能效。 高溫會導致模塊的輸出電壓下降。 因此，即使在陽光強烈時，即光伏電池板的能效應該最高的時段，如果電子電路未能補償隨之發生的電壓下降，光伏電池板的轉換效率仍可能下降。 借助 MPPT，電源轉換電子器件可跟蹤環境情況變化，并確保始終選擇最適當的電壓。 幸運的是，隨著照明變化發生的最大功率點偏移通常相對較小，因此，MPPT 控制電路只需要分析 IV 曲線中相對較小的一部分。
壓電收集器呈現出不同但類似的特性：開路電壓大約與短路電流成反比。 壓電元件可串聯或并聯放置，以獲得收集能量所需的電壓范圍。 通常，當壓電收集器的工作電壓為開路電壓的一半左右時，壓電收集器會產生最大功率。
圖 2：壓電收集器的 IV 曲線。
在系統方面要考慮的另一個問題是，如何高效地管理已收集能量，確保電池不會意外過度充電，且能量收集和儲存過程消耗的能量不應超過可儲存的能量。 將電池和超級電容器結合使用通常能夠有效避免用不可靠的電源充電。
雖然從理論上講，這種組合比充電電池更容易控制，但超級電容器的電壓很低，這意就味著這些電容器通常串聯，以獲得兼容大多數系統電子器件的電壓。 超級電容器串聯時，分布到整個超級電容器組的電壓最初是電容的函數。 但是，如果超級電容器組的電壓在一段時間內保持不變，則電壓分布會由于漏電電流而發生偏移，變成內部并聯電阻的函數。
一項可減少漏電造成電壓位移的設計技術是，將電阻器和每個超級電容器并聯。 但是，這樣會增加能量損耗，而這并不符合能量收集設計的初衷。 對此，有源超級電容器平衡是更為行之有效的技術。Linear Technology 的 LTC3331 也采用了這項技術；該器件是專為解決將電池和已收集能量結合使用所存在的問題而設計的眾多器件之一， 這些器件的出現，減少了系統設計人員實施分立解決方案的需要。
圖 3：LTC3331 的典型應用，圖中右側顯示了超級電容器平衡器連接。
LTC3331 中的有源超級電容器平衡器需要與使用 BAL 引腳的兩個器件配合使用來實現其功能。 LTC3331 中的控制器會主動實現高達 10 mA 的拉出和灌入電流，將 BAL 引腳的電壓調節為該器件輸出電壓的一半。 該平衡器的功耗為 150 nA。 如果不需要平衡功能，或者該功能在實際應用中耗用過多能量，則可將其禁用；這樣，通過將 BAL 引腳和 SCAP（當處于活動狀態時，它通常與 Vout 連接）同時接地，即可將靜態電流降至零。
LTC3331 等器件的設計核心是升壓或升降壓 DC/DC 轉換器，這些轉換器可與典型的能量收集器配合使用。 這種轉換器與用于控制的電子器件連接，這些控制器件決定升壓轉換器何時進入活動狀態。 控制器還可執行 MPPT 計算。 以 LTC3331 為例，該器件使用壓電能源或光伏能源，適用于無線系統。無線系統的平均功耗很低，但當數據需要轉發到集線器或網關時，其電量需求會突增。 在這種情況下，會從超級電容器吸取能量，甚至還可能從電池吸取能量，具體取決于自上次通信以來收集了多少能量。
在 LTC3331 中，當存在可收集能量時，這些能量會通過橋式整流器傳輸到輸入電容器并在那里聚積。 LTC3331 帶有一個在低靜態電流下工作的欠壓鎖定電路，使得電容器電壓可升至設定的閾值。 電容器電壓一旦超過該閾值，降壓轉換器即會啟動，將能量傳輸到輸出軌。 如果輸入電容器的電壓降至下降閾值以下（通常設置為不同于上升閾值，以避免不必要的振蕩），降壓轉換器會關閉，升降壓轉換器啟動以實現電池供電；在這種情況下，仍可繼續將能量收集到超級電容器中。
Analog Devices 生產的 ADP5090 帶有適用于低壓熱電能源和太陽能的升壓轉換器，其工作電壓低至 380 mV。 該器件配有一個用于連接備用電池或超級電容器的接口，且支持 MPPT。
圖 4：ADP5090 應用示意圖，左側為用于 MPPT 設置存儲 (CBP) 的電容器連接。
MPPT 控制能力借助外部電容器得以保持；應在出現低漏電的情況下選擇使用外部電容器，因為控制電路大約每隔 19 秒對收集器輸入進行一次采樣。 如果電容器電壓下降，MPPT 控制器的效率會降低。 對此，10 nF X7R 或 C0G 低漏電陶瓷可提供適當水平的性能。 為了支持很低的收集電壓，ADP5090 采用了充電泵，以使升壓轉換器能夠在很低的輸入電壓下啟動。 附加電路會檢查電壓是否過低，以致運行升壓轉換器在收集可用能量時，實際上會開始耗用電池電量。
對于無線應用（這種應用的特點是，射頻電子器件可能對噪聲非常敏感，尤其是以低功耗工作時），在有外部軟件或硬件控制的情況下，可臨時禁用升壓開關轉換器——只需拉高 DIS_SW 引腳即可。
Texas Instruments.生產的 bq25504 也是不錯的選擇。 該器件能夠在能量收集器提供的 330 mV 輸入電壓下冷啟動，運行時可支持低至 80 mV 的電壓。 這可為以 330 nA 靜態電流運行的升壓轉換器提供所需的電力。 雖然 bq25504 不能直接控制備用電池，但它可根據用戶可編程的欠壓和過壓狀態監視最大和最小電壓，以防存儲元件受損。 為便于能量管理，該器件采用“電池良好”標志控制，當儲能電池或電容器的電壓降至低于預設的臨界水平時，會向所連接的微處理器發出警報信號。 這會使得負載電流削減，以防系統進入欠壓狀態。
LTC3331、ADP5090 和 bq25504 等解決方案通過結合使用電池和已收集能量，能夠更容易地實現具有很長電池續航時間的 IoT 傳感器節點。
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