环境能量就在我们身边，您获得自己的那份吗?

　　引言

　　在我们周围的世界里存在着许许多多的环境能量，能量收集的传统方法一直是借助太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们利用各种各样的环境能量源来产生电能。而且，重要之处不是电路的能量转换效率，而更多地是在于可为其供电的“平均收集”能量值。例如：热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动、光伏元件用于转换阳光 （或任何光子源）、而流电元件则可从湿气实现能量转换。这使得能够给远程传感器供电或对电能存储器件 （例如：电容器或薄膜电池） 进行充电，从而可为微处理器或发送器实施远程供电，而无需使用本地电源。

　　有人或许会认为：在整个能量采集过程中 DC/DC 转换器电路的转换效率是最为关键的因素；然而事实情况并非如此。整个无线传感器节点 （WSN） 的转换效率才是最重要的。推理过程十分简单；通过获知可向系统提供之环境能量的多少，即可确定任意读取和传送操作的占空比。因此，对于任何给定的应用，决定实现方案之实用性的正是该“整体转换”效率。

　　存在多少可收集的能量？

　　最先进和现成有售的能量收集技术 （例如：振动能量收集和室内光伏单元） 在典型工作条件下产生 mW 量级的功率。这么低的功率似乎用起来很受限，但是若干年来收集组件的工作可以说明，无论就能量供应还是就所提供的每能量单位的成本而言，这些技术大体上与长寿命的主电池类似。此外，采用能量收集的系统一般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。

　　环境能源包括光、温差、振动波束、已发送的RF信号，或者几乎任何其他能通过换能器产生电荷的能源。表 1 列出了从不同能量源可产生的能量。

　　表 1：能量源及其所能产生的能量值

　　在许多应用中，此类功率等级对于系统部署而言都是有意义的。以下只是几个例子：

　　1） 飞机腐蚀传感器

　　2） 自动调光车窗

　　3） 桥梁监测器

　　4） 楼宇自动化

　　5） 用电量表

　　6） 气体传感器

　　7） 健康监测仪

　　8） HVAC 控制器

　　9） 光开关

　　10） 远程管线监控器

　　11） 手表

　　12） 水表

　　我需要多少功率？

　　当试图实现单个或多个 WSN 时，需要考虑一个有益的问题：运作需要多少功率？ 从原理上说这似乎相当直观明了；然而，在现实中由于诸多因素的影响而使其难度略有增加。例如：获取读数的频度是多少？ 或者更重要的是：数据包将有多大以及需要将它传送到多远的地方？ 这是因为：对于单个传感器读数，收发器约消耗 50% 的系统所用能量。有几种因素会影响 WSN 能量收集系统的功耗特性。表 2 概要罗列了这些因素。

　　表 2：影响 WSN 功耗的因素

　　然，由能量收集源所提供的能量取决于它处于操作状态的时间。因此，比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般会遇到低的、可变的和不可预测的可用功率，因而通常采用了一种与能量收集器和一个辅助电能储存器相连的混合结构。由于收集器可有无限的能量供应而成为了系统能源。辅助电能储存器 （一个电池或一个电容器） 可产生较高的功率，但储存的能量较少，它在需要的时候供电，其他情况下则定期从收集器接收电荷。所以，在没有可供收集功率的环境能量时，必须采用辅助电能储存器给 WSN 供电。当然，从系统设计人员的角度而言，这将导致复杂程度的进一步增加，因为他们现在必须考虑这样一个问题“为了对缺乏环境能量源的情况提供补偿，应在辅助储存器中存储多少能量？”究竟需要储存多少能量将取决于诸多因素，包括：

　　（1） 缺乏环境能量源的时间长度

　　（2） WSN的占空比 （即数据读取和传输操作必须具备的频率）

　　（3） 辅助储存器 （电容器、超级电容器或电池） 的大小和类型

　　（4） 是否可提供既能充当主能量源、同时又拥有充分剩余能量 （当在某些特定时段内不可用时可为辅助电能储存器充电） 的足够环境能量？

　　DC/DC 转换 IC 的特性

　　一般地说，为能量收集应用 （例如：WSN） 所接纳和采用所需的必要 IC 性能特征包括：

　　l 低待机静态电流 ── 通常小于 6μA，并可低至 450nA

　　l 低启动电压 ── 低至 20mV

　　l 高输入电压能力── 高达 34V （连续） 和 40V （瞬态）

　　l 能够处理 AC 输入

　　l 多输出能力和自主型系统电源管理

　　l 自动极性操作

　　l 针对太阳能输入的最大功率点控制 （MPPC）

　　l 能够从低至 1°C 的温差收集能量

　　l 占板面积紧凑且外部组件极少的解决方案

　　在可替代能源所带来的诸多发展机遇中，太阳能供电型电子设备市场是一个绝佳的例子。在各家公司都致力于寻求降低功耗之方法的情况下，太阳能供电型电子设备的市场呈持续增长的态势。我们以智能电表为例。为了降低运行能源成本，部署在智能电网上的智能电表将很有可能由某种环境能量源来供电，而一种适用且丰富的能量源便来自太阳能。然而，鉴于太阳能电源变化无常且不可靠，所以几乎所有的太阳能供电型设备都配有可再充电电池。因此，一个重要的目标是吸取尽可能多太阳能以对这些电池进行快速充电并保持其电荷状态，从而在无法获得太阳能的时候将其用作一种能量源。

　　反之，倘若智能电表采用电池作为其主电源，则电源转换和管理电子组件在待机模式中将必需具有非常低的静态电流，以延长电池的使用寿命。幸运的是，凌力尔特提供了众多静态电流水平通常低于 25μA 的 IC。

　　最先进和现成有售的能量收集技术 （例如：振动能量收集和室内光伏单元） 在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这么低的功率似乎用起来很受限，但是若干年来收集组件的工作可以说明，无论就能量供应还是就所提供的每能量单位的成本而言，这些技术大体上与长寿命的主电池类似。此外，采用能量收集的系统一般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。环境能源包括光、温差、振动波束、已发送的RF信号，或者几乎任何其他能通过换能器产生电荷的能源。

　　结论

　　所有面向绿色能源或能量收集的产品都将在今年及之后的时间里迎来成长机遇。出于对能源成本和环境问题的关注以及延长移动设备电池使用寿命的需要，业界对于包括智能电网在内的众多应用的功率优化均投入了巨大的精力开展相关的研发。此外，目前已有的高能效产品还可使客户以更高的效率进行功率转换，并降低功耗和延长电池寿命。所有这些因素使得设计师能够开发和实现无需供电导线或电池的 WSN，并真正地充分利用我们周围丰富的“免费”环境能源。