互聯(lián)網(wǎng)通過全球計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)用戶連接，而物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通過創(chuàng)建相對簡單的設(shè)備，獨立于計算機(jī)或人工干預(yù)而互連和共享數(shù)據(jù)的趨勢日益增長。物聯(lián)網(wǎng)具有提高效率、提高安全性以及實現(xiàn)全新的商業(yè)模式的潛力，幾乎在生活或行業(yè)的任何方面。例如，為了可靠和高效地運行一個工廠，它有助于擁有盡可能多的監(jiān)測或控制點，更多的傳感器意味著更好的監(jiān)控。物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備對設(shè)備網(wǎng)絡(luò)簡化了分布和網(wǎng)絡(luò)，從而便于擴(kuò)大整個工廠傳感器的數(shù)量和覆蓋范圍。
廣泛的微功耗能量收集技術(shù)
通過使用在小型電池上運行多年的傳感器節(jié)點，可以消除所有布線要求，從而實現(xiàn)傳感器數(shù)量的指數(shù)級增長。不在需要更換或充電電池，這提供了極大的便利性，越來越多的傳感器利用當(dāng)?shù)乜捎玫哪茉矗ㄈ绻狻⒄駝踊驕囟忍荻龋钠渲苯迎h(huán)境中獲取能量。本文分析如何利用無處不在的各種環(huán)境能量，通過超低功耗的能量采集電路輕松構(gòu)建理論上可以永續(xù)供電的電路設(shè)計，從而實現(xiàn)傳感器節(jié)點的便利布局和低成本維護(hù)目標(biāo)。
常見的環(huán)境能量采集類型和相關(guān)電源管理IC
基于環(huán)境光能量采集的供電模式電路設(shè)計
圖1顯示了自供電無線溫度傳感器的原理框圖，溫度傳感器基于受低噪聲LT6654電壓參考偏置的熱電壓傳感器，24 位∑-Δ ADC LTC2484讀取熱電壓并通過 SPI 接口報告結(jié)果。其中的LTP5901-IPM無線電模塊可執(zhí)行多項任務(wù)：自動形成基于IP的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理信號鏈組件的電源測序。
圖1
無線溫度傳感器通過將無線射頻模塊連接到ADC、基準(zhǔn)電壓和熱敏電阻而形成。電路由環(huán)境能量采集供電，可以轉(zhuǎn)換電池或太陽能電池板的電源。
LTC3330是一種低功率雙開關(guān)模式電源，在光線可用時從太陽能電池板獲得電力，在沒有太陽光、必要時恢復(fù)電池備份以保持輸出電壓調(diào)節(jié)。LTC3330 還包括一個 LDO，用于對溫度傳感器執(zhí)行循環(huán)功率。完整的解決方案，包括電池和太陽能電池板，適合在一個小塑料外殼內(nèi)，尺寸小于7立方英寸，如圖2所示。
圖2
整個自成一體的自供電溫度傳感器系統(tǒng)適合體積小于 7 立方英寸的外殼。包括電池、太陽能電池板和無線網(wǎng)絡(luò)控制器。無需外部電線或連接。安裝很簡單：把它放在某個地方。（a） 顯示信號鏈、電源和控制電路以及無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)模塊的板前：（b） 帶電池的背板;（c） 安裝太陽能電池板的外殼中完全解決方案。
溫差發(fā)電，為低功耗可穿戴永續(xù)供電
溫差發(fā)電的工作原理基于塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。塞貝克效應(yīng)又稱作第一熱電效應(yīng)，是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象，在兩種金屬A和B組成的回路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在回路中將出現(xiàn)電流，稱為熱電流。相應(yīng)的電動勢稱為熱電勢，其方向取決于溫度梯度的方向。
通常由數(shù)百個N型和P型材料的柱體結(jié)構(gòu)組成的熱電發(fā)生器，從電路上看它們通過串聯(lián)方式增加溫差電勢，而在傳熱方面通過并聯(lián)連接增加熱能的使用效率。當(dāng)器件兩端存在溫差時，熱場驅(qū)動載流子運動并在回路中形成溫差電流，以此來輸出功率。利用由系統(tǒng)內(nèi)溫度變化而產(chǎn)生的電能，能夠運作尤其是低功耗電路設(shè)計的系統(tǒng)，讓一些無法使用電池，或是電力線的低功耗應(yīng)用可以實現(xiàn)。現(xiàn)在，甚至可以利用人體熱量為穿戴設(shè)備的傳感器供電。
以ADI高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器LTC3108為例，其非常適合于收集和管理來自諸如TEG、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產(chǎn)生3.3伏電壓，在10度溫差時，大概就能產(chǎn)生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。如果將其用于可穿戴設(shè)備，人體的體表溫度可能有35度，即使環(huán)境溫度有25度，也能有10度的溫差，更大溫差能夠產(chǎn)生更大的功率，而且是可以持續(xù)不斷的為可穿戴設(shè)備供電，實現(xiàn)真正的“免充電”。
基于LTC3108 TEG 能量采集電路
變廢為寶，采集振動能量的供電模式設(shè)計
振動能量存在形式多樣，振動能量收集是一種行之有效的環(huán)境能量發(fā)電方法。根據(jù)發(fā)電原理不同，振動發(fā)電機(jī)可以分為靜電式、電磁式與壓電式。其中，壓電式振動發(fā)電機(jī)以其能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、無電磁干擾、易于實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的微型化與集成化等優(yōu)點成為國內(nèi)外振動發(fā)電領(lǐng)域研究的重點。壓電換能器受到振動和移動時能夠產(chǎn)生電能。因此，設(shè)備能夠?qū)⒄駝赢a(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為 AC 電壓，AC 電壓經(jīng)過調(diào)整后，向系統(tǒng)提供電力。例如用戶按下遙控器按鈕時產(chǎn)生的能量可以收集起來用于發(fā)送一個低耗能的無線電信號。同樣地，當(dāng)有人走過時，安裝在地磚底下的壓電換能器也能產(chǎn)生電能，可以為小型顯示屏或緊急燈供電。
ADI電源轉(zhuǎn)換芯片LTC3588配合小體積的換能器可以在0.25g的振動加速度和40Hz的頻率上產(chǎn)生200多微安的電流。產(chǎn)品通過集成一個低損失全波橋式整流器和一個高效率降壓型轉(zhuǎn)換器，以造就一款專為高輸出阻抗能源 (例如：壓電換能器) 而優(yōu)化的完整能量收集解決方案。這電流看起來很小，但對于很多微弱電流的監(jiān)控系統(tǒng)來講，這個電流已基本足夠用，可以實現(xiàn)設(shè)備的終身免維護(hù)和無人值守。
