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。
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)。
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。
输入保护分流电路为电压超过20伏特的情况提供安全保护。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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