设计切实可行的压电能和热能收集方案需考虑的因素

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作者:凌力尔特公司波士顿设计中心应用经理 Brian Shaffer

引言
目前在能量收集市场上推出的新型器件能将低至数十微瓦的收集能量转换成可用电压,随着这类器件的推出,该市场正在快速发展。这类器件或者利用一个调谐磁性传感器靠低至 10mg 的振动启动,或者靠热电发生器等低阻抗电源通过 1℃ 的温度差产生的 ≥ 20mV 的电压启动。有可能受益于能量收集的应用很多,包括飞机结构状况监视、资产跟踪、资产监视、楼宇温度和照明控制、工厂自动化、工业过程监视、汽车电子收费系统、轮胎压力监视系统、边缘监视以及总之其它任何需要监视但又难以检修的远程应用。诸如 Tadiran 等电池制造商提供的电池有 20 年的寿命,因此电池的寿命与系统中电子产品的预期寿命一样长。通过给已有电池供电的传感器增加能量收集功能,电池的寿命就有可能延长到产品的有效寿命,从而使拥有电池和能量收集器的系统就像拥有一个通过导线供电的系统一样容易和经济。
电池供电的无线传感器节点
 
图 1:电池供电的无线传感器节点


SENSOR = 传感器
TRANSCEIVER = 收发器
POWER = 电源


图 1 显示了一个典型电池供电型的无线传感器节点 (WSN) 的架构。电池需要以某种标准检修时间间隔更换,以保证正确地向主机报告数据。与派遣检修技术员到无线传感器节点所在地所需费用相比,更换电池的费用微不足道。在上面提到的应用中,可能需要很多 WSN,而为了确保所有传感器节点都得到定期检修,这么多 WSN 可能导致需要一个专职技术员。理想的 WSN 系统应该无需定期进行现场检修,而能自助维持运行,从而在寿命期内降低拥有成本。
压电电源的能量收集系统架构

图 2:压电电源的能量收集系统架构,a) 能量存储在输出端,b) 能量存储在输入端
Energy Source = 能源
Rectifier Circuit = 整流器电路
Charger = 充电器
Energy Storage = 能量存储
Voltage Regulator = 稳压器
Regulated Voltage(s) to WSN System = 提供给 WSN 系统的稳定电压

当用一个压电电源实现能量收集时,系统架构有两种选择:在电源管理解决方案的输出端或输入端存储收集的能量,如图 2a 和 2b 所示。在电源管理系统的输出端存储能量的好处包括: (1) 低压能量存储允许使用现成的低成本组件; (2) 由于电压较低,因此可用超级电容器或电池作为存储组件; (3) 因为输出仅需要产生低压,所以收集器可以从较小的振动积累能量; (4) 通过改变充电电流,充电器可以实现阻抗匹配,以优化压电电源的功率输出。在输出端存储能量的主要缺点是,低电压需要大的电容值,而且如果电容器选择不当,那么泄漏电流可能变得无法抗拒。就能量存储在输入端而言,多个并联的陶瓷电容器一般能以最小的泄漏电流提供充足的能量存储。在电源管理系统输入端存储能量的好处包括: (1) 可利用高压能量存储,这种能量存储就一定量的能量而言,由于电压的平方与电容器中存储的能量相关 (E = ½ * C * V2),所以需要的电容小得多; (2) 高压陶瓷电容器具有非常低的泄漏电流; (3) 在输入端的能量存储可与输出端的超级电容器和/或电池结合,以延长最后关头的运行时间。在输入端存储能量的缺点是,该电源将需要更多的振动能量以实现所需的更高输入电压,而且没有可受控执行阻抗匹配的充电器级,而这种匹配可优化来自该电源的能量输出。

振动源的能量收集
一般来说,振动源的频率和的振幅均各不相同。但是,由于许多振动源都是由线路输入电压供电的,因此在美国,常见的振动频率为 60Hz 和 120Hz。在大型机器中,机械共振起主要作用,而且频率往往较低,如在 13Hz 至 70Hz 之间。表 1 列出了各种不同的振动源及其峰值共振频率以及有关的加速度和“g 值 (g-level) ”。术语 g 值用来代表相对于地球引力场的标准化加速度值。按照定义,1g 等于 9.8 m/s2 加速度。正如可以预料到的那样,通常都会最大限度地减小机器或汽车中的振动,以保持长寿命或舒适度。因此,能否靠非常小的振动而且在有些情况下是在存在很多不同的振动频率时使一个 WSN 运行,是区分同类解决方案的重要方面。


表 1:各种振动源的峰值加速度和谐振频率 (引用自:研讨会:“RFID:传感器和能量收集”—“LIUC Carlo Cattaneo” —  2009 年 6 月 5 日)

在附装了一个压电器件并按图 3 所示进行模拟时,振动源 x(t) 的加速度等于位移的二阶导数,如 (1) 式 ~ (3) 式所述。

图 3:装有压电器件的振动源 x(t) 被模拟为悬臂梁和质量块 (proof mass),Proof  Mass也被质量点 (Tip Mass)

Sensing Element:检测组件


  (等式 1)
 

          (等式 2)
          


 (等式 3)

 

其中 A 是位移的峰值幅度,单位为米,ω是共振频率,单位为每秒弧度。求解作为频率 f 和加速度 (以 g 表示) 函数的峰值位移 A,得到:

                          (等式 4)       
表 2 显示频率为 21Hz 至 358Hz、加速度值为 25mg 至 4g 时,求等式 4 的值所得的结果。表 2 中的结果显示,产生可观的加速度只需要压电源有很小的实际移动。就感兴趣的频率而言,该压电源的位移一般以微米为单位进行测量。

表 2:以微米 (um) 计的峰值位移随振动频率和加速度的变化
 
Peak Displacement (A) – [um] :   峰值位移 (A) – (um)
 Acceleration w.r.t. to Gravity :   相对于重力的加速度

规定用于无线传感器节点的压电器件特性

要规定用于无线传感器节点应用的压电器件的特性,就需要对该压电源的共振频率和处于这些频率时的加速度幅度进行准确测量。诸如 Mide Volture 产品等典型的压电器件一般有 3Hz 50% 功率带宽。换言之,如果该压电器件的调谐频率在任一方向偏离超过 1.5Hz,那么与峰值共振时的功率相比,其输出功率将是可从该传感器获得功率的一半。出于这个原因,面向振动能量收集市场的大多数能量收集设计都需要定制的压电器件设计,即为压电源和电源管理电路而微调和优化过的设计。大多数压电器件制造商都有用来测量压电源特性的仪器,建议尽早使用这些仪器,以便充分了解压电源,并考虑可能的优化压电器件的选项。

如果一个 WSN 系统设计师寻找的是现成有售的标准压电传感器,那么有几个问题需要考虑。一些需要回答的最常见问题如下:

1. 什么是振动源?
a. 什么是源振动频率?
b. 什么是 WSN 必须以其工作的最低、标称和最高加速度?
2. WSN 使用什么电压?
3. WSN 需要多少输出能量?
a. 最初的网络配置
b. 标准传感器测量和发送
4. WSN 需要多长时间发送一次 (设定需要传感器提供的平均功率)?
5. 什么是电源管理器件的接通门限? (在 1b 所述的源振动频率和最低加速度时,设定压电器件的最低开路电压)
6. 能有多大的面积专门用于安装压电器件?
7. 可有多大的高度分配给压电器件及其外壳?
8. 应用需要什么类型的安装?
9. 环境条件如何 (湿度、温度……)?


无线传感器节点的能量要求

市面上大多数低功率微控制器和传感器都可以直接靠 3.3V 轨运行。如果需要额外的电源轨,那么现在还有 LTC3388 等极低功率降压型稳压器,该器件可以靠低至 1uA 的电流运行。假设我们将讨论范围限定为具 3.3V 电源轨的系统,那么知道了每个传感器记录和发送时电流随时间的变化,我们就可以计算系统所需的能量。就此例而言,我们采用以下单次发送时的电流变化值:

Vcc = 3.3V
1mA 持续 12ms  (uP 唤醒)    39.6 uJ   (3.3mW)
2mA 持续 17ms  (传感器测量)             112.2 uJ   (6.6mW)
23mA 持续 1ms  (无线发送)          75.9 uJ   (75.9mW)
                          总计: 227.7 uJ

网络搭建完成以后,每次发送都需要 227uJ 这么高的能量。视所采用网络协议的不同而不同,最初的网络配置所需要的能量可能是该能量的两或 3 倍,因为需要多次发送以在系统中正确建立可用节点。其它需要考虑的性能规格是发送时间间隔。在此例中,发送时间间隔是每分钟一次。那么该传感器所需的平均功率是 3.8uW (227.7uJ/60s)。该所需能量已知后,下一步就是评估可能的压电传感器。需要由压电器件制造商提供一幅有用的曲线图,即:对于某种给定的质量点和谐振频率,开路电压与峰值重力加速度 (g) 水平的关系曲线。通过研究该开路电压数据并获知电源管理电路的启动电压,系统设计师就可以确定,该压电器件是否能给无线传感器节点加电。以 Mide 公司的 V21BL 压电传感器和 LTC3588-1 压电能量收集电源为例。图 4 显示的是,使用 Mide V21BL 压电传感器,质量点为 0.22克,共振频率为 120Hz 时,开路电压随峰值 g 值变化的实验室数据。

图 4:Mide V21BL 系列开路电压随峰值 g 值的变化曲线

Operational Area:工作区
Peak g_level (g):峰值 g 水平 (g)
0.22 grams:0.22 克


图 5 含有一个脉冲负载测试电路,该电路采用 LTC3588-1,而且在该电路中,存储在电压 VIN_UVLO_RISING 和 VIN_UVLO_FALLING 之间的输入电容器 CSTORAGE 中的所有能量都传送到输出端,并消耗在 LED 中。在一个 WSN 中,存储的能量如上所述会用来给微处理器、传感器和发送器供电。视输出电压设定点的不同而不同,LTC3588-1 有两个输入 UVLO 上升和 3 个 UVLO 下降设置值。就 3.3V 输出而言,UVLO 上升门限是 5.05V,UVLO 下降门限是 3.6V。图 5 中的电路用来决定压电器件为 LTC3588-1 提供的可用功率。如果在频率为 120Hz 时将 0.73g 的峰值加到压电器件上,那么 36uF 的输入电容器从 UVLO 下降门限充电到 UVLO 上升门限需要 18.5 秒的时间。因此,存储在输入电容器中的能量 E 和压电器件提供的平均功率输出可计算如下:

 

图 5: LTC3588-1 测试电路,用于估算压电传感器提供的可用功率

OUTPUT VOLTAGE SELECT:输出电压选择
Green LED:绿光 LED

巧合的是,该测试电路的输入电容器中存储的能量 (226uJ) 约等于上述无线传感器节点模型所需的能量 (该节点需要 227.7uJ)。该压电传感器在频率为 120Hz、加速度为 0.73g 时提供的平均功率为 12.2uW。该应用基于 60 秒发送时间间隔的功率需求仅为 3.8uW。该分析未考虑该应用休眠电流的影响,休眠电流如果没有最小化,会极大地延长再充电时间并降低发送速度。如果休眠电流保持在非常低的水平,那么该压电器件的发送频度可以比规定的 60 秒高大约 3 倍,即每隔 20 秒一次。

在确定输出电容器的大小时,将假定应用从 3.3V 直至 3.0V 都能运行,因此应用的能量需要存储在这个窄的电压范围内。另外,要求输出电容器提供的能量必须考虑到最初的网络配置,最初的网络配置需要 3 倍于单次发送事件所需的能量。那么最小的输出电容器 Cout_min 可以计算如下:

COUT_MIN = EOUT * 2/(VHIGN2 – VLOW2)
      = (3* 227.7uJ) * 2/(3.32 – 3.02)
      = 723uF
就输入电容器而言,有两种选择。如果应用要求输出电容器在每个 UVLO 上升事件时充电,那么输入电容器需要在输入 UVLO 迟滞中存储足够的能量,以给输出电容器充电并为负载供电。或者,还可允许输出电容器由多个 UVLO 上升事件充电,在这种情况下小得多的输入电容器值就足够了。那么,确定在一个 UVLO 事件中给输出电容器充电的最小输入电容值的等式如下:

CIN > (EOUT/Eff + 0.5 * COUT * VOUT_PEAK2) / {(0.5 * (5.052 – 3.62)}
      = {(3 * 227.7uJ) + 0.5 * 723uF * 3.32} / {0.5 * (5.052 – 3.62)}
      = 736uF
在 VIN 低于 UVLO 上升门限且输出未稳定时,LTC3588-1 具 450nA 的静态电流,因此所收集的能量能够最大限度地用来给输入电容器充电。第一次输出发送将需要比后续发送较长的时间,因为输入电容器是靠地电平而不是 UVLO 下降门限启动。第一个脉冲的启动时间 TSTART_UP 由以下等式给出:

   TSTART-UP = 0.5 * CIN * (VUVLO_RISING)2 / PAVG
                   = 0.5 * 736uF * (5.0)2 / 12.2uW
                       = 754.1s (12.5min)

如果该时间不能接受,那么就考虑增加薄膜电池或其他电池来实现永久能量存储。Infinite Power Solutions、Cymbet Corporation、Autec Power Systems、GS Nano Tech Company等供应商都提供薄膜电池。将薄膜电池集成到该解决方案中时,LTC4071 并联充电器/电池断接电路可用来保护薄膜电池免受深度放电引起的损坏,这通常是电池组保护电路的功能。图 6 显示了一个适用于 WSN 的典型的 LTC3588-1 和 LTC4071 应用电路。


 
图 6:采用 LTC3588-1 和 LTC4071 的 WSN 电源管理解决方案,LTC4071 用于薄膜电池或可再充电锂离子电池,从而无需内部电池组保护电路

Li-Ion Battery:锂离子电池
System load:系统负载


热能收集

最近推出的 LTC3109 是一种超低电压升压型转换器和电源管理器,是专门为极大地简化从热电发生器 (TEG) 等极低的双极性输入电压源收集和管理多余能量而设计的。其升压型拓扑靠低至 30mV 的输入电压工作。这非常重要,因为它允许 LTC3109 在低至 1C 的温差时从 TEG 收集能量,这是分立式解决方案难以做到的事情,因为分立式解决方案的静态电流较高。

图 7 所示电路用一个小型升压型变压器升高 LTC3109 输入电压源的电压,然后该器件为无线检测和数据采集提供一个完整的电源管理解决方案。LTC3109 可以收集小的温差并产生系统电源,从而无需使用传统的电池电源。


图 7:用于无线传感器节点应用的 LTC3109,该应用由 TEG (Peltier Cell) 供电

TEG (THERMOELECTRIC GENERATOR):TEG (热电发生器)
OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS:用于传感器的可选开关输出
LOW POWER RADIO:低功率无线单元
SENSOR(S):传感器


利用一个外部升压型变压器和一个小型耦合电容器,LTC3109 用两个耗尽型 N 沟道 MOSFET 构成一个共振升压型振荡器。这允许该器件将低至 ±30mV 的输入电压升高到足够高,以提供多个稳定输出电压来为其它电路供电。振荡频率主要由变压器副端绕组的电感和 LTC3109 的输入电容决定。所产生的共振频率的典型值为 10kHz 至 100kHz。

就低至 ±30mV 的输入电压而言,建议使用约为 1:100 的主-副端匝数比。就较高的输入电压而言,可使用更低的匝数比,以提供更高的输出功率。这些变压器是标准和现成有售的组件,非常容易从磁性组件供应商那里得到。

LTC3109 采用一种“系统级”方法解决复杂问题。它可以从低压电源启动并管理多个输出之间的能量分配。

用一个外部充电泵电容器 (从副端绕组至引脚 C1A 或 C1B) 和 LTC3109 内部的整流器对变压器副端绕组上产生的 AC 电压升压和整流。该整流器电路将电流馈送进 VAUX 引脚,从而给外部 VAUX 电容器、然后是其它输出供电。

内部 2.2V LDO 可以支持低功率处理器或其它低功率 IC。该 LDO 由 VAUX 或 VOUT 之中电压较高的一个供电。这使它能在 VAUX 一充电到 2.3V 就投入运行,而 VOUT 存储电容器仍然在充电。当在 LDO 输出端出现阶跃负载,那么如果 VAUX 降至低于 VOUT,电流就可以来自主 VOUT 电容器。LDO 输出可以提供高达 5mA 的电流。

VOUT 上的主输出电压靠 VAUX 电源充电,可由用户利用电压选择引脚 VS1 和 VS2 编程至 4 个稳定电压之一。这 4 个固定输出电压是:用于超级电容器的 2.35V;用于标准电容器和 RF 或传感器电路的 3.3V;用于锂离子电池终止的 4.1V;用于较高能量存储和主系统轨以给无线发送器或传感器供电的 5V,这样就无需数 MΩ 的外部电阻器了。结果,LTC3109 不需要特殊的电路板涂层来最大限度地减少泄漏,而在分立式设计中,就需要电阻值非常大的电阻器。

第二个输出 VOUT2 可以由主微处理器运用 VOUT2_EN 引脚来接通和断开。当启动时,VOUT2 通过一个 P 沟道 MOSFET 开关连接到 Vout。该输出可用来给没有低功率休眠或停机功能的传感器或放大器等外部电路供电。

VSTORE 电容器可能具有非常大的电容值 (数千 uF 甚或数 F),以在输入电源掉电时提供保持功能。一旦加电完成,主 (Main)、备份 (Backup)和开关输出就都可用了。如果输入电源出故障,那么靠 VSTORE 电容器,运行仍然可以继续。VOUT 达到稳定以后,VSTORE 可用来给大型存储电容器或可再充电电池充电。一旦 VOUT 达到稳定,VSTORE 输出就允许充电至高达 VAUX 电压,而 VAUX 电压箝位在 5.3V。如果输入电源掉电,那么 VSTORE 端的存储组件可用来给系统供电,不仅如此,如果输入电源没有充足的能量,那么该存储组件还可用来补充 VOUT、VOUT2 和 LDO 输出需要的电流。

电源良好比较器监视 VOUT 电压。一旦 VOUT 充电至其稳定电压的 7.5% 以上,那么 PGOOD 输出就变高。如果 VOUT 降至比其稳定电压低 9% 以上,那么 PGOOD 就变低。PGOOD 输出用来驱动一个微处理器或其它芯片 I/O,未打算用其驱动 LED 等较高电流的负载。


结论
由于 LTC3105、LTC3108、LTC3109、LTC3588、LT3652、LTC4070 和 LTC4071 等面向能量收集市场的高性能集成电路的上市,该市场开始快速发展。这些新的集成电路使得亳微功率设计既可能又可靠。为了使压电和 TEG 能量收集市场更快速地发展,传感器厂商们将需要提供有关他们产品的数据,而这些数据过去是不需要的,就各种不同的 Tip Mass 而言,系统设计师需要从压电器件制造商那里得到开路电压随加速度变化的信息,还需要知道在相同的振动条件下相关的压电器件的源阻抗。这些图以及电源管理电路的 UVLO 上升门限将用来决定 WSN 得以运行的最小振动量。系统设计师需要从 TEG 制造商那里得到开路电压随温差变化的信息以及有关的源电阻。此外,TEG 制造商需要提供 TEG 的热阻和模型,以在系统中 TEG 两侧都有散热器、散热器处于不同的环境温度、以及有和没有空气流动时,使用户能计算实际温差。能量收集应用有可能应用到所有地方,而且将电池寿命延长到产品的可用寿命有可能是这种新技术带来的第一个真正益处。在有些应用中,电池可以完全去除,这对环境和最终用户而言具有极大的好处。