环境能源/主电池聪明切换 能量采集IC大幅延长电池寿命
时间:2014-05-07 13:41来源:cbcu 作者:日光
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现今无线感测器节点多半须更换电池，导致维运成本过高。新一代能量采集晶片同时具备整流及降压功能，因此当环境能源可用时，可持续采集能源为感测器节点供电，而当无法使用环境能源时，则会自动转换至电池供电，能有效减少电池电力消耗。
远端无线感测器以往均依赖电池供电来测量资料，并以无线方式发送，当无线感测器节点位在人员可及之处，便可由人力进行电池更换；此方式虽可靠，但感测器的可用寿命将取决于电池寿命，一般电池可用寿命约5～10年，同时价格昂贵。
有些应用情形难以为电池充电，且人工为电池充电的执行费用高昂，如为核电厂、炼油厂甚至地下设施中的无线感测器电池充电，费用可能相当庞大；若改用较大的电池虽可提供较长寿命，但当尺寸更大，成本就更高。如此一来，如何让电池达更长续航力，就成为一个重要课题。
提供额外电源 能量采集降低电池依赖
关于延长电池寿命的问题，能量采集提供可能的解决途径。当可采集能源可用时，便透过该能源为感测器节点供电；当没有可采集能源时，则改由主电池为感测器节点供电。当然，能量采集并非新概念，第一座采用水和重力驱动涡轮发电机的水力发电厂建于1882年，提供绿能和可持续的电力来源，是一种大规模庞可采集能源。然而，因这种能源极度依赖自然地形，因此需要大型、昂贵的传输网路；同时，传输损耗将随距离加长而升高，因此大幅降低可用功率。
不过，在很多情况下，无线网路感测节点所需电力仅几毫瓦(mW)功率，所以可使用规模较小的能量采集解决方案，为尺寸精巧、采无线传送方式，且在功率谱低阶的应用供电。
尽管太阳能电池(光伏电池)与压电换能器等非传统电源已广为熟知，但利用此类非传统电源供电却仍具挑战性；这类电源需要特定的电源转换电路，以高效率进行采集、管理，并将能源转换成电能，为感测器、微控制器(MCU)和无线换能器供电。
不论在电源电压高于所需电压，必须降压转换为可用电压时，或在某些情况下须要先整流，再进行降压转换，以上情况皆需特定的能量采集电路。这类电路是非常复杂的分立式电路，具有多达三十个元件，且须提供够高的效率以适合实际使用。直到不久前，专门的能量采集电源积体电路(IC)出现了，这类IC结合适当的换能器，可组成精巧、简单且效率非常高的电源转换及管理解决方案。
超低功率应用适用于多种无线系统，如交通运输、基础设施、工业检测、大楼自动化、资产追踪等。此类型系统通常处于备用模式(休眠)，仅需几微瓦(W)功率维持运作；系统唤醒后，感测器测量压力、温度或机械偏转等参数，以无线方式将资料传送到远端系统管理器；进行测量、处理和传输所用的全部时间通常仅几毫秒(ms)，但在几毫秒内却需要数十毫瓦功率。上述应用的工作期间通常很短，所以必须采集的平均功率仍然可以相对较小。
尽管电源可能只是一块电池，它仍须透过人工替换；若可采用以环境能源为主的能量采集设计，当没有环境能源可用时才使用电池，那么电池寿命将可大幅延长。
以大楼自动化的无线感测器系统为例，其位元感测器、恒温器、光感应开关等系统省去一般所需的电源或控制布线，而是透过能量采集而来的环境能源和电池，为无线网路供电，除了不必一开始就安装线缆，此替代方案也不须有线系统的日常维护，进一步节省费用支出。
此外，使用能量采集技术的无线网路，还可连接大楼内部感测器，当建筑内无人时，系统自行关闭非必要区域电源，以此减少热量、通风与空调(HVAC)以及照明费用。
一个基于能量采集的HVAC监视系统，例如工业园区内的强制空气流动管道，该系统须连续监视空气流动速度、温度和压力；所有无线感测节点都可能内建温度、压力和空气流动感测器，每隔5秒钟便进行一次测量。由于HVAC系统分布距离相当长，且通常埋入大楼基础设施地底，所以架设供电和资讯传输线缆的费用非常高，且线缆须要时常维护，同样是一笔庞大的开销。
定期更换电池的费用非常高昂，因取出每一块电池都须雇用专人执行。其解决方案为建构一个可连续运行的电源系统，当环境能源可用时，使用采集的环境能量；当没有环境能量可采集使用时，用电池供电，以尽量减少电池消耗。
目前最普遍、最容易取得的环境能源之一是振动，小型压电换能器可将HVAC压缩机上的振动能量转换成小电流交流(AC)电讯号(图1)。这种采集能源须要整流和降压，以提供可用的低电压，为无线感测节点供电；其电池可用作备份电源，在暂时没有采集能源可用时使用，能有效延长电池寿命。
新一代整合一个高压能量采集电源和一个同步升降压直流对直流(DC-DC)转换器；该转换器由主电池供电，为无线感测节点中常见的能量采集应用产生单一无中断输出。能量采集电源由一个适合AC或DC输入的全波桥式整流器，和一个高效率降压转换器组成，从压电(AC)、太阳(DC)或磁(AC)能源采集能量；主电池输入为升降压转换器供电，当没有采集能量可用时，该转换器会工作于1.8~5.5伏特的输入电压范围，以便在输入电流高于、低于或等于输出电流时，都能立即调节，同时装置将自动转换到电池供电(图2)。
一般而言，相关应用可能使用图2中AC1端的DC输入，而且有可能同时使用AC2端的第二个输入，或者使用跨AC1和AC2连接的单个AC输入。若能量采集电源是AC电源，例如由压电换能器产生的电源，那么能量采集稳压晶片就会透过整合式全波桥式整流器，为输入电容提供DC电压；而DC能量则直接储存于输入电容中，一旦输入电容上的电压超过欠压锁定(ULVO)，其输入优先顺序设定器便会关断电池，并调节来自采集电源的输出。输出电压(VOUT)从1.8~5伏特是接脚可设定的，该输出通常为射频(RF)收发器供电。
此外，1.2~3.3伏特的线性稳压器(LDO)输出具低杂讯，一般做为微处理器内核电源使用。当使用能量采集电源时，此两个输出相互结合，可提供高达125毫安培的输出电流；当电池启动时，可提供50毫安培电流。在能量采集模式时，如果有多余的输出功率，则可存在超级电容中以备将来所需，如此可进一步延长电池寿命。装置内建的超级电容平衡器则用来进一步最佳化能量储存；其中，在使用能量采集电源时，电池的静态电流为零，因此所有电池能量都进而得到节省，以备未来所需。
能量采集稳压器若内建全波桥式整流器，则适合压电或磁换能器等产生的AC输入，将AC讯号整流成DC讯号；若有多个换能器输入，则将使用提供最高可用电压(功率)的那一个。
输入电流透过输入电容采集，当超过可设定ULVO门槛时，优先顺序设定器就关断电池，由同步降压转换器为输出提供所需功率；该功率透过VOUT接脚或低杂讯LDO输出提供给负载，任何多余的功率都储存在输出电容和/或超级电容中，在此种状态下，电池吸取的静态电流为零。
输入�；し至鞯缏肺缪钩�20伏特的情况提供安全�；�。若无能量采集输入电源可用，那么优先顺序设定器就自动切换到同步升降压转换器，以提供所须输出。在整个转换期间，VOUT和VLDO都保持稳定，从而为感测器、无线发送器和微处理器提供所需功率。
升降压转换器提供1.8~5.5伏特输入电压，适合多种锂离子电池。无论电池电压在高于、等于还是低于VOUT时，该升降压转换器都以超过90%的效率提供恒定电压。与一般降压型设计相比，升降压架构使电池执行时间延长30%以上，当透过电池操作时，总输出电流取决于输入电压(VIN)/VOUT之比，和电池不能使用时之最终电压，此输出电流大约为50毫安培。
VOUT是低杂讯LDO输出的输入，该输出范围为1.2伏特，比VOUT低50毫伏特，是接脚可设定的，适用于为多种微处理器/控制器内核供电。VOUT和VLDO都具备电源良好状态输出，以从总体减轻系统工作负担。此外，选配式超级电容平衡器可确保储存能量的最长寿命。
仅作备用能源 主电池寿命达两倍
准确来说，电池寿命能够延长多少取决于环境能源的性质、可用性以及无线感测节点需要的总功率。
在先前所举的HVAC例子中，若压缩机持续运作，整个系统由压电能量采集电源供电，而电池仅用作备用电源，当遇到停电或压缩机检修时才使用，那么则可无限期地延长电池寿命。举例来说，在火车应用中，感测器用来测量轮毂轴承温度、货物库存或温度；火车运行时，压电能量采集电源为系统供电；火车静止时，则改由电池供电。以上方式将大幅延长电池寿命，这种特点是轨道车辆特别需要的。
另一个例子是太阳能环境能源应用，透过将太阳能电池用作能量采集电源，此系统白天可透过太阳能电池运作，同时也在输出电容和超级电容中储存多余的电能；当没有太阳能电池输入可用时，系统则首先为输出电容和超级电容放电数小时，之后再转换到电池。视外部条件的不同而不同，如此可能延长至少两倍之电池寿命。
至于电池寿命能延长多少，答案是视情况而定，不过延长时间介于两倍至无限期之间，而高度取决于系统设计和I/O功率工作周期比。显然地，只有透过用能量采集IC纳入能量采集电源，并用主电池补充能量采集电源时，才有可能延长电池寿命。在大多数情况下，这还使设计者得以使用更小、更便宜的电池。 就多种无线感测节点应用而言，增加合适的环境能源换能器和能量采集电源管理IC，可以大幅延长系统主电池寿命。当采集能源可用时，该IC提供高效率能源，且电池漏电流为零，可构成非常精巧、易于实现的解决方案。透过上述方案，在许多应用中都可无限期地延长电池寿命，因此允许使用尺寸更小、成本更低的主电池，并有效减少电池更换费。
(责任编辑：admin)
远端无线感测器以往均依赖电池供电来测量资料，并以无线方式发送，当无线感测器节点位在人员可及之处，便可由人力进行电池更换；此方式虽可靠，但感测器的可用寿命将取决于电池寿命，一般电池可用寿命约5～10年，同时价格昂贵。
有些应用情形难以为电池充电，且人工为电池充电的执行费用高昂，如为核电厂、炼油厂甚至地下设施中的无线感测器电池充电，费用可能相当庞大；若改用较大的电池虽可提供较长寿命，但当尺寸更大，成本就更高。如此一来，如何让电池达更长续航力，就成为一个重要课题。
提供额外电源 能量采集降低电池依赖
关于延长电池寿命的问题，能量采集提供可能的解决途径。当可采集能源可用时，便透过该能源为感测器节点供电；当没有可采集能源时，则改由主电池为感测器节点供电。当然，能量采集并非新概念，第一座采用水和重力驱动涡轮发电机的水力发电厂建于1882年，提供绿能和可持续的电力来源，是一种大规模庞可采集能源。然而，因这种能源极度依赖自然地形，因此需要大型、昂贵的传输网路；同时，传输损耗将随距离加长而升高，因此大幅降低可用功率。
不过，在很多情况下，无线网路感测节点所需电力仅几毫瓦(mW)功率，所以可使用规模较小的能量采集解决方案，为尺寸精巧、采无线传送方式，且在功率谱低阶的应用供电。
尽管太阳能电池(光伏电池)与压电换能器等非传统电源已广为熟知，但利用此类非传统电源供电却仍具挑战性；这类电源需要特定的电源转换电路，以高效率进行采集、管理，并将能源转换成电能，为感测器、微控制器(MCU)和无线换能器供电。
不论在电源电压高于所需电压，必须降压转换为可用电压时，或在某些情况下须要先整流，再进行降压转换，以上情况皆需特定的能量采集电路。这类电路是非常复杂的分立式电路，具有多达三十个元件，且须提供够高的效率以适合实际使用。直到不久前，专门的能量采集电源积体电路(IC)出现了，这类IC结合适当的换能器，可组成精巧、简单且效率非常高的电源转换及管理解决方案。
超低功率应用适用于多种无线系统，如交通运输、基础设施、工业检测、大楼自动化、资产追踪等。此类型系统通常处于备用模式(休眠)，仅需几微瓦(W)功率维持运作；系统唤醒后，感测器测量压力、温度或机械偏转等参数，以无线方式将资料传送到远端系统管理器；进行测量、处理和传输所用的全部时间通常仅几毫秒(ms)，但在几毫秒内却需要数十毫瓦功率。上述应用的工作期间通常很短，所以必须采集的平均功率仍然可以相对较小。
尽管电源可能只是一块电池，它仍须透过人工替换；若可采用以环境能源为主的能量采集设计，当没有环境能源可用时才使用电池，那么电池寿命将可大幅延长。
以大楼自动化的无线感测器系统为例，其位元感测器、恒温器、光感应开关等系统省去一般所需的电源或控制布线，而是透过能量采集而来的环境能源和电池，为无线网路供电，除了不必一开始就安装线缆，此替代方案也不须有线系统的日常维护，进一步节省费用支出。
此外，使用能量采集技术的无线网路，还可连接大楼内部感测器，当建筑内无人时，系统自行关闭非必要区域电源，以此减少热量、通风与空调(HVAC)以及照明费用。
一个基于能量采集的HVAC监视系统，例如工业园区内的强制空气流动管道，该系统须连续监视空气流动速度、温度和压力；所有无线感测节点都可能内建温度、压力和空气流动感测器，每隔5秒钟便进行一次测量。由于HVAC系统分布距离相当长，且通常埋入大楼基础设施地底，所以架设供电和资讯传输线缆的费用非常高，且线缆须要时常维护，同样是一笔庞大的开销。
定期更换电池的费用非常高昂，因取出每一块电池都须雇用专人执行。其解决方案为建构一个可连续运行的电源系统，当环境能源可用时，使用采集的环境能量；当没有环境能量可采集使用时，用电池供电，以尽量减少电池消耗。
目前最普遍、最容易取得的环境能源之一是振动，小型压电换能器可将HVAC压缩机上的振动能量转换成小电流交流(AC)电讯号(图1)。这种采集能源须要整流和降压，以提供可用的低电压，为无线感测节点供电；其电池可用作备份电源，在暂时没有采集能源可用时使用，能有效延长电池寿命。
图1 小型压电换能器所提供的功率随压电频率变化。
目前市面上已有能量采集稳压解决方案，当采集能源可用时，其能提供达50毫安培(mA)的连续输出电流，进而延长电池寿命。当从采集能源向负载稳定供电时，该IC毋须电池提供电源电流；在无负载情况下由电池供电时，仅须750奈安培(nA)工作电流。新一代整合一个高压能量采集电源和一个同步升降压直流对直流(DC-DC)转换器；该转换器由主电池供电，为无线感测节点中常见的能量采集应用产生单一无中断输出。能量采集电源由一个适合AC或DC输入的全波桥式整流器，和一个高效率降压转换器组成，从压电(AC)、太阳(DC)或磁(AC)能源采集能量；主电池输入为升降压转换器供电，当没有采集能量可用时，该转换器会工作于1.8~5.5伏特的输入电压范围，以便在输入电流高于、低于或等于输出电流时，都能立即调节，同时装置将自动转换到电池供电(图2)。
此外，1.2~3.3伏特的线性稳压器(LDO)输出具低杂讯，一般做为微处理器内核电源使用。当使用能量采集电源时，此两个输出相互结合，可提供高达125毫安培的输出电流；当电池启动时，可提供50毫安培电流。在能量采集模式时，如果有多余的输出功率，则可存在超级电容中以备将来所需，如此可进一步延长电池寿命。装置内建的超级电容平衡器则用来进一步最佳化能量储存；其中，在使用能量采集电源时，电池的静态电流为零，因此所有电池能量都进而得到节省，以备未来所需。
能量采集稳压器若内建全波桥式整流器，则适合压电或磁换能器等产生的AC输入，将AC讯号整流成DC讯号；若有多个换能器输入，则将使用提供最高可用电压(功率)的那一个。
输入电流透过输入电容采集，当超过可设定ULVO门槛时，优先顺序设定器就关断电池，由同步降压转换器为输出提供所需功率；该功率透过VOUT接脚或低杂讯LDO输出提供给负载，任何多余的功率都储存在输出电容和/或超级电容中，在此种状态下，电池吸取的静态电流为零。
输入�；し至鞯缏肺缪钩�20伏特的情况提供安全�；�。若无能量采集输入电源可用，那么优先顺序设定器就自动切换到同步升降压转换器，以提供所须输出。在整个转换期间，VOUT和VLDO都保持稳定，从而为感测器、无线发送器和微处理器提供所需功率。
升降压转换器提供1.8~5.5伏特输入电压，适合多种锂离子电池。无论电池电压在高于、等于还是低于VOUT时，该升降压转换器都以超过90%的效率提供恒定电压。与一般降压型设计相比，升降压架构使电池执行时间延长30%以上，当透过电池操作时，总输出电流取决于输入电压(VIN)/VOUT之比，和电池不能使用时之最终电压，此输出电流大约为50毫安培。
VOUT是低杂讯LDO输出的输入，该输出范围为1.2伏特，比VOUT低50毫伏特，是接脚可设定的，适用于为多种微处理器/控制器内核供电。VOUT和VLDO都具备电源良好状态输出，以从总体减轻系统工作负担。此外，选配式超级电容平衡器可确保储存能量的最长寿命。
仅作备用能源 主电池寿命达两倍
准确来说，电池寿命能够延长多少取决于环境能源的性质、可用性以及无线感测节点需要的总功率。
在先前所举的HVAC例子中，若压缩机持续运作，整个系统由压电能量采集电源供电，而电池仅用作备用电源，当遇到停电或压缩机检修时才使用，那么则可无限期地延长电池寿命。举例来说，在火车应用中，感测器用来测量轮毂轴承温度、货物库存或温度；火车运行时，压电能量采集电源为系统供电；火车静止时，则改由电池供电。以上方式将大幅延长电池寿命，这种特点是轨道车辆特别需要的。
另一个例子是太阳能环境能源应用，透过将太阳能电池用作能量采集电源，此系统白天可透过太阳能电池运作，同时也在输出电容和超级电容中储存多余的电能；当没有太阳能电池输入可用时，系统则首先为输出电容和超级电容放电数小时，之后再转换到电池。视外部条件的不同而不同，如此可能延长至少两倍之电池寿命。
至于电池寿命能延长多少，答案是视情况而定，不过延长时间介于两倍至无限期之间，而高度取决于系统设计和I/O功率工作周期比。显然地，只有透过用能量采集IC纳入能量采集电源，并用主电池补充能量采集电源时，才有可能延长电池寿命。在大多数情况下，这还使设计者得以使用更小、更便宜的电池。 就多种无线感测节点应用而言，增加合适的环境能源换能器和能量采集电源管理IC，可以大幅延长系统主电池寿命。当采集能源可用时，该IC提供高效率能源，且电池漏电流为零，可构成非常精巧、易于实现的解决方案。透过上述方案，在许多应用中都可无限期地延长电池寿命，因此允许使用尺寸更小、成本更低的主电池，并有效减少电池更换费。
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