工业自动化中的获取能量传感器和无线链路的路径

压电和热电输入的能量可用于为微控制器和无线链路发电，以监控和控制工业自动化中的设备，无需电池或电源线。

工业环境可能很苛刻，但这为从周围环境获取能量传感器和无线链路提供了理想的机会。能够将传感器放置在需要的地方而不必担心布线，从而节省了成本，并且可以更加密切地监控设备，降低运营成本并允许及时进行维修和升级。某些形式的能量收集并不真正适合工业自动化，而其他形式的能量收获则很旺太阳能电池在工业照明下效率不高，工业自动化的目标是创造一个“熄灯”的制造场地，而射频环境可以是间歇性的，排除这些技术。然而，更高的温度和振动 - 这两者都被认为是对其他系统的挑战 - 是为传感器供电的理想能源。恶劣的环境意味着存在重大的设计和封装挑战，这些挑战更加特定于工业自动化。

振动能量

Midé的Volture V25W（图1）是一种专利压电晶体，采用坚固的包装，旨在从振动中获取能量。它采用气密密封，适用于恶劣环境，因此无需焊接即可连接所有引线，以避免潜在的故障点。它有不同的尺寸可供选择，以满足特定的应用需求。其主要优势在于它可以直接与凌力尔特公司的LTC3588电源管理IC和薄膜电池等现成产品集成，从而简化系统集成。

图1：MidéV25W压电传感器。

它专门针对工业健康监测网络传感器和维护传感器，以及无线高压空调传感器。能够监控HVAC的状态对于确保严格控制工厂车间的温度至关重要。

使用该设备的最佳方法是将其安装在振动源上的悬臂配置中，并调整晶体的固有频率以匹配振动源的频率。要做到这一点，必须了解设备运行的振动环境，可以通过加速度计来捕获振动数据，并通过对数据执行FFT（快速傅里叶变换）来提取相关的频率信息。一些应用将不需要该步骤，因为主要频率是固有已知的，例如120Hz AC电动机或60Hz器具。但是，大多数应用需要某种形式的振动表征。

为了利用共振束收获来获取最多能量，基座和夹具均由刚性材料构成，完全没有毛刺和缺陷。使用刚性材料可以最大限度地减少通过夹具结构的能量消耗，并避免毛刺和缺陷，从而最大限度地降低设备上应力集中的可能性，从而导致过早失效。

夹具应完全伸出设备内的压电元件，并且为了可靠的长期安装，固定夹具的紧固件应适当扭转，并应使用锁紧垫圈或某种锁定粘合剂加固。直钳夹是最简单且通常最具成本效益的夹具，但弯曲夹具可略微提高换能器的性能，并为传感器和无线链路提供更多能量。

通过在悬臂装置的末端添加质量来调整设备，直到压电梁的固有频率与振动源相同。调谐质量越大，Volture的固有频率越低。对于非永久性安装或主动调整，最好使用蜜蜂蜡或其他形式的非永久性附件进行调整。这允许质量沿着梁移动以进行调整。

根据用户可用的设备，有多种方法可以调整设备。只要电子设备允许测量输出功率，示波器就可以直接连接到两个输出引脚或通过用户使用的任何电子设备。然后可以调节调谐质量直到达到最大功率。

另一种调节V25W的简单方法是测量设备在受到脉冲机械负载激励时“振铃”的频率。最简单的方法是将一个压电晶体引脚（P1和P2）直接连接到示波器上进行监控并添加尖端质量。只需用手指轻弹设备的末端即可施加脉冲机械负载，这将导致悬臂梁“振铃”。衰减波的频率是设备调谐的固有频率。这可以通过将质量远离夹紧点移动以降低频率或通过将其移近以增加频率来改变。但是，如果固有频率不接近所需频率，则可能需要不同的尖端质量或不同的产品。

V25W的功率输出能力是使用这种技术在振动平台或振动器上测量的，其尖端质量可以改变固有频率。然后振荡器的频率与装置匹配，以提供最佳的能量收集。在这些频率中的每一个频率下测试了四种不同的振幅（0.25，0.375，0.5和1.00g），并且对压电的输出进行了整流，然后将其放置在纯电容负载上。

图2显示了电容器上的电压（工作电压）和电容器的瞬时功率与代表性振动水平和频率的时间关系，表明当工作电压大约为开路电压的一半时功率增加，直到达到峰值值。之后，它会减少。

图2：电容器上的工作电压和电容器瞬时功率与时间的关系，代表性的振动水平和频率。

电源管理

V25W也直接与凌力尔特公司的LTC3588接口（如图3所示）。这是一款专为能量收集应用而设计的超低静态电流电源。这可以对电压波形进行整流，并将收集的能量存储在外部电容上，通过内部并联稳压器排出任何多余的电能。它还通过纳米级高效率同步降压稳压器提供稳定的输出电压。

图3：使用Mide V25W作为振动能量采集器为无线传感器供电。

LTC3588采集能量并将其转换为可用的输出电压，为任何类型的电子系统供电。某些应用可能需要比典型压电产生的峰值功率更多的峰值功率，因此IC可以在更长的时间内累积能量，以便有效地用于短时间突发，例如发送带有传感器数据的短无线电脉冲。允许的爆发频率与来自压电的功率和每次爆发的总能量成正比。

输入和输出电容的值取决于应用的能量需求和负载要求。对于100 mA或更小的负载，在输入端存储能量利用高压输入，因为芯片上的降压转换器可以有效地向负载提供平均100 mA的电流。然后应调整输入电容的大小以存储足够的能量，以在所需的时间长度内提供输出功率，同时也不会降至欠压锁定下降阈值（UVLO下降）。该阈值比所选的调节输出高约300 mV。

降压转换器还针对10μH至100μH范围内的电感进行了优化。对于空间受限的应用，10μH的值是足够的，但100μH可以提供更高的效率，特别是当输入和输出电压之间的比率增加时。电感还应具有大于350 mA的直流电流额定值，因为较低的值会降低降压转换器的效率。

热能

EnOcean的EDK352（图4）提供了一个Peltier效应传感器，利用热能产生驱动RF链路的功率。通常使用标准的低成本Peltier元件，从两度温差开始，工作电压为20 mV。

图4：EnOcean EDK352热能评估套件。

输出功率范围为μW至mW，取决于Peltier元件的实际温差。为了获得最佳的发电机效率，输出电压可轻微调节。输入电压为20 mV至50 mV，输出电压范围为3 V至4 V.

该套件适用于建筑和工业自动化的无线传感器，如温度传感器，过程控制和预防性维护以及控制并监控水阀，风门和其他机械装置。

评估套件

为了评估完整的能量收集系统，Cymbet CBC-EVAL-09（图5）是一种通用能量收集（EH）评估套件，它将多个EH传感器中的任何一个与EnerChip能量处理器相结合和100μA固态电池模块。它配有太阳能电池，用于初始评估套件测试，但可与压电或热电传感器一起使用，从单个输入端收集振动或热能。如果两个压电电子束在同一个传感器单元中机械耦合在一起以获得更高的功率输出，则两个可以连接到单独的引脚。

图5：Cymbet EVAL-09能量收集评估系统。

EVAL-09可为负载提供数百微瓦的连续功率，但在无线电和微控制器下运行的应用通常需要在峰值负载条件下数十至数百毫瓦。可以通过限制负载供电的时间量并等待能量采集器在随后的操作开始之前补充能量存储装置的足够时间来解决该差异。在典型的远程RF传感器应用中，“开启”时间大约为5-20毫秒，“关闭”时间为几秒到几小时，具体取决于应用和可用能源。在设计无线系统时，占空比是一个重要的考虑因素。虽然计算功率预算并设计系统在可用功率和能量的约束下工作相对简单，但很容易忽略将系统初始化为已知状态并完成无线电链路所需的功率。网状网络中的主机系统或对等节点。初始化阶段有时需要稳态操作所需功率的两到三倍。

理想情况下，当系统上电复位处于活动状态时，硬件应处于低功耗状态。如果无法做到这一点，微控制器应尽快将硬件置于低功耗状态。

完成此操作后，微控制器应进入睡眠状态足够长的时间，以便能量采集器补充存储设备。如果在此阶段未超过功率预算，系统可以继续其初始化。设计人员需要小心确保系统在此阶段的开启时间不超过功率预算，并且可能需要几个睡眠周期来“逐步”将系统升级到其主要运行状态。

在大多数系统功率预算中，所需的峰值功率并不像需要功率的时间长度那么重要。仔细选择RF链路的消息协议会对总体功率预算产生重大影响。在许多情况下，使用可以打开，快速稳定并且可以关闭的更高功率模拟电路可以减少总体能量消耗。

单片机的时钟频率也会对功耗预算产生重大影响。在一些应用中，使用更高的微控制器时钟频率来减少微控制器和外围电路活动的时间可能是有利的。避免使用将微控制器数字输入偏置到中等电压的电路;这会导致大量的寄生电流流过。

EVAL-09使用Seiko S-882Z24-M5T1G电荷泵在启动时累积能量，然后将这些能量转储到CBC915能量处理器中。处理器启动后，它会自动禁用精工电荷泵并运行更高效的电感式升压转换器。

CBC915找到最大峰值功率点所需的时间长度很大程度上受能量收集传感器产生的输入信号稳定性的影响。机械传感器往往具有最大的电输入噪声，因此花费大部分时间让处理器找到最大峰值功率点。在第一次找到最大峰值功率点之后，用于找到该点的系数被存储在存储器中以供使用。除非系统失去电压调节或由微控制器复位，否则不会再尝试找到最大峰值功率点。

对于零星的能源，Advanced Linear Technology的EH4205微功率增压器模块可以提供帮助。这是一种自供电升压模块，可将来自热电或电磁发电机的低直流电压输入转换为适用于许多低功耗能量收集应用的更高交流或直流电压输出。 EH4205无需单独的电源即可运行，并可直接从低输入电压源获取电源。它从低至200μW开始输出功率电平，从而实现板载自启动振荡器。

结论

振动和热能是使用无线网络链路为最新传感器供电的两个关键来源，但设计需要仔细考虑有效地使用功率预算。通过正确的组件组合和良好的系统设计，工业自动化开发人员可以将自供电模块用于各种控制和监控应用。使用评估套件可以评估和测试不同的技术，以确保它们能够满足系统要求。