欲善其事,必先利其器!能量能否采集得看你的工具是否够厉害

无线传感器网络无处不在正在成为可能,通过无线mesh网络在物联网和工业应用中部署,无需大量重新布线即可在现有系统中添加传感功能也已成为一大趋势。然而更有意思的是,无线传感器的普及还带动了另一个应用的走强——能量采集。

能量采集技术难点

当前能量采集在中国及全球市场发展势头火热,除了无线传感器网络以及物联网应用,能量采集还广泛用于消费电子设备中,比如便携式设备和可穿戴设备。

不过在这个领域中,如何将收集到的能量真正派上用场还有着极高的门槛——除了需要满足芯片自身极低功耗的要求,还要考虑大幅提高转换效率,以及如何管理与应用微能量。尤其是多种电源技术的集成,包括超低漏电流和超低功耗设计,低电压低电流启动、充放电管理、大电流泄放、多电源协调工作等。除此之外,还特别需要能连续存储并极低漏电流的存储器件来采集能量。这些采集到的能量可通过集中管理,用于驱动短暂或脉冲型的负载。

不同的能量来源和不同应用所需的能量要求

事实上,微弱能量采集一直以来都没有真正得到广泛应用,最大的原因还是大家不能够深入理解能量采集是一个综合性系统,需要结合各种因素才能产品化。不过幸运的是,过去数年内电子产品的更新换代和能耗都有了进步,很多电源管理集成电路均针对能量采集应用而专门设计,因此5到10年前不可行的很多应用现在都得以实现且经济实惠。

智能集成式能量采集电源管理方案及应用

ADI在能量采集应用领域有非常丰富的技术经验和应用案例。当前主要用于能量采集解决方案的是芯片级高度集成的ADP5091/92。作为业界领先的一款智能集成式能量采集纳米电源管理解决方案,它可转换来自PV电池或热电发生器(TEG)的直流电源。

ADP5091/92已经广泛应用于多种能量源的采集,像太阳能、电磁能(电流互感器)、温差热能、压电、静电电荷等。该器件还可对储能元件(如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容)进行充电,并对小型电子设备和无电池系统上电。可以采集能量从16uW到600 mW范围的高效转换,利用内部冷启动电路,调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后,调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。而可重复充电的电池种类有锂电池/磷酸锂铁电池/超级电容等,这些电池电压从3.2V到5V,而ADP5091/ ADP5092的充电截止电压为2.2V到5.2V,完全可以满足目前市场上常用的电池种类及应用。

在配电网自动化应用中的故障指示器中大量采用了ADP5091/ ADP5092

上图给出一个在配电网自动化应用的故障指示器应用实例。该设备被安装在架空线上,在线路正常运行时通过该装置可以实时监测配电网的运行工况,优化配电网的运行方式并合理控制用电负荷,在线路发生故障时快速准确定位故障区域、并远传故障信息。由于该设备是一次性的被安装在架空线上,既没有供电电源,又不能随时更换任何内部器件,再加上快速启动、大电流保护及无线通讯的要求,所以其能量采集及电源管理的设计非常讲究。ADI提供的ADP5091/ ADP5092设计方案,大大地简化了原有的方案,并在能量采集效率、电源管理、成本控制上都有了明显的优化。

能量采集还广泛应用于室内和户外多种应用场景。

基于ADP5091/ ADP5092的能量采集demo实验测试表明,在室内日常照明光源下可以让太阳能板输出两伏左右的电压,同时对磷酸锂铁电池也有2到3个mA的电流来充电,可以直接对MCU或者是传感器等IC供电。当然,相关应用还有很多,包括像室内的触碰式调光照明遥控器、灯具或空气质量侦测器(PM2.5/有毒气体)等。