让WSN节点不断电新能源采集系统加速取代电池

1、让wsn节点不断电 新能源采集系统加速取代电池新能源采集系统己逐渐崭霽头角。在高效率电源转换积体电路(ic)加持下，新能源采集系统 的电能转换效率已较过去显著提升，因而吸引愈來愈多无线感测网路(wsn)节点装置设计人 员，以能量采集技术取代传统电池供电方式，从而降低长期维护成本。凌力尔特电源管理产品部副总裁暨总经理don paulus人类周遭存在许多环境能源，过去能 源采集的传统方法，往往是藉助太阳能板和风力发电机，不过，新的能源采集工具让使川者 能运用各式环境能源产生电能，而冃，重要z处不在于电路的能量转换效率，而是在于可为 其供电的平均采集能量值，例如热电产牛器可转换热量、压电元件町转换机

2、械振动、光 伏元件川于转换阳光，并r上述工具将进一步将这些环境能源转换成为可川的电能。这些能 源采集元件能够为远端感测器供电或对电能记忆体(例如电容器或薄膜电池)进行充电，并对 微处理器(mpu)或发送器实施远端供电，而毋须使川本地电源。或许有人会认为，在整个能量采集过程屮直流对直流(dodc)转换器电路的转换效率是最为 关键的因素，然而事实并非如此。整个无线感测网路(wsn)的转换效率才是最重要的。推理 过程十分简单，透过估算wsn可向系统提供多少坏境能量，即可确定任意读取和传送操作 的工作周期比，因此对于任何应用产品，wsn转换效率系决定整体方案z实用性的重要 关键。现行能量采集技术如振动

3、能量采集和室内光伏单元在典型工作条件下将产生毫瓦(mw)量级 的功率。如此低的功率似乎川起來很受限，但无论就能量供应还是就所捉供的每能量的单位 成木而言，这些技术大体上已可与长寿命的主电池匹敌。此外，新能源采集系统能在电能耗 尽后再充电，而这一点主电池供电的系统是做不到的。矽能量來源及其所能產生的能量值能量源i所產生的典型能量級別 . 1 典型應用小型太陽能電池板幾百mw/cm2（直射陽光）掌上型電子設備小型太陽能電池板幾百uw/cmq非直射陽光）手持無線感測器塞貝克（seebeck）元件 （用於將熱能轉換為電能）幾+uw/cnv（購熱）遠程無線感測器塞貝克元件幾十mw/cm2 （高爐排氣煙国

4、）遠端無線執行器壓蛊元件（通過元件的 擠壓或撓曲來產生能）幾百u w/cm2掌上型审子設備或 遠端無線執行器來自天線的射頻（rf）能討幾百pw/cm2遠?厂1坏境能源包插光、温差、振动波束、己发送的射频（rf）讯号，或者任何具他能通过换能器产 生电荷的能源。表1列出从不同能量源可产生的能量。景三響wsn功耗的因素 i影舞功耗的因素電源 （或電池）放電速率電池尺寸電源電壓所使用電極材料的類型dc/dc轉換效率感測器實鹅訊號至電訊號轉換 支援組件的複雜性訊號採樣訊號處理adc採樣速率 混香高頻抖動微處理器內核工作頻率 工作 功率與處理及計算負載 成上匕例 環境溫度 應用代碼 外部設備利用率射頻調變

5、方案 資料速率 傳送範圍 工作週期上当试图实现单个或多个wsn能源采集系统时，所须要考虑的是整体系统运作需要多少功率。从原理上而言，这似乎相当直觉明瞭，然而，在现实中由于诸多因素的影响而使其难度略有 增加，测试者须得知获取读数的频率是多少?资料封包将会多人?系统须要将读数传送到多远 的地方?对于单颗感测器读数，收发器约消耗50%的系统所川能量，表2概耍罗列影响wsn 能源采集系统功耗特性的因素。能源采集器/辅助电能储存器互助确保wsn供电无虞 由能源采集系统所提供的电源虽取决于系统处于操作状态的时间，因此衡暈新能源采集系统 的主耍标准为功率密度，而非能量密度。能源采集系统一般会遇到变动和不可预

6、测的可用功 率，因而须采用能源采集器和辅助电能储存器相连的混合结构。由于采集器可有无限的能址 供应而成为系统能源，而辅助电能储存器（一个电池或一个电容器）可产牛较高的功率，但储 存的能量较少，示者仅在必要的时候供电，其他悄况下则定期从采集器接收电能，所以wsn 在没有可供采集功率的坏境能源时，必须以辅助电能储存器供电。从系统设计人员的角度而言，这将进一步增加设计复杂程度，因为他们必须考虑一个问题 为对缺乏环境能量源的wsn提供补偿电力，应在辅助储存器中存储多少能量?其取决 的因素包括能量采集器缺乏环境能量源的时间长度、wsn工作周期比（即资料读取和传输操 作必须具备的频率）、辅助储存器（电容器

7、、超级电容器或电池）的人小和类型、坏境能量是 否可提供既能充当主能量源，同时又拥有充分剩余能量为辅助电能储存器充电？以下将就能 源采集应用的dodc转换ic特性概述，一般而言，为能量采集应用所接纳和采用所需的必 要ic性能特征包括： 低待机静态电流 运作电流通常小于6微安培®a）,并可低至450奈安培（na）低启动电压低至20毫伏特（mv）高输入电压能力 高达34伏特（连续）和40伏特（暂态） 能够处理交流电（ac）输入多输出能力和口丄羽系统电源管理 i动极性操作 针对太阳能输入的最大功率点控制(mppc)能够从低至的温差采集能量接脚占位精小且外部元件极少抢搭能源成木顺风车能源采集系

8、统逐渐崭露头角 在可替代能源所带来的诸多发展契机中，太阳能供电型电子装置市场为绝佳例子，在各家公 司致力寻求降低功耗之方法的悄况下，太阳能供电型电了设备的市场呈持续成长的态势。以 智慧电表为例，为降低运行能源成本，部署在智慧电网上的智慧电表将很有可能由某种环境 能量源来供电，而太阳能即为丰富的能量来源。然而，鉴于太阳能电源变化无常且不可靠, 所以儿乎所有的太阳能供电型设备都配有可再充电电池，因此，汲取尽可能多的太阳能以对 这些电池进行快速充电并保持其电荷状态为系统设计的重要目标。反z,倘若智慧电表采用电池做为其主电源，则电源转换和管理电子元件在待机模式中将必 须具非常低的静态电流，以延长电池使用寿命，而目前业界已能提供一系列静态电流水准低 于25微安培的晶片。所有因应绿色新能源或能最采集的产品都将在今年之示逐渐崭露头角。由于市场对能源成木 和坏境问题的关注以及延长行动装置电池使用寿命的需求升温，业界对于包括智憩电网在内