小型光伏电池在能量收集应用中找到用武之地

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背景

    超低功率解决方案可用于众多的无线系统,包括交通运输基础设施、医疗设备、轮胎压力检测、工业检测、楼宇自动化和贵重物品追踪。此类系统通常在其服役生涯的大部分时间里都处于待机睡眠模式,仅需极低的μW级功率。当被唤醒时,传感器将测量诸如压力、温度或机械偏转等参数并以无线的方式把这些数据传送至一个远程控制系统。整个测量、处理和传送时间通常只有几十 ms,但在此短暂期间内有可能需要几百 mW 的功率。由于这些应用的占空比很低,因此必须收集的平均功率也会相对较低。电源可能就是一节电池而已。然而,电池将不得不以某种方式进行再充电,最终还得更换。在许多此类应用中,实际更换电池的成本之高使其缺乏可行性。这使得环境能量源成为了一种更具吸引力的替代方案。 

 

新兴的毫微功率无线传感器应用

    就楼宇自动化而言,诸如占有传感器、温度自动调节器和光控开关等系统能够免除通常所需的电源或控制线路,而代之以一个机械或能量收集系统。除了可以免除首先进行线路安装 (或在无线应用中定期更换电池) 的需要之外,这种替代方法还能减低有线系统往往存在的例行维护成本。

    类似地,运用能量收集技术的无线网络能够将一幢建筑物内任何数目的传感器链接到一起,以通过在建筑物内无人居住时关断非紧要区域的供电来降低采暖、通风和空调 (HVAC) 以及照明成本。

    典型的能量收集配置或无线传感器节点由 4 个模块组成 (见图 1)。它们是:1) 一个环境能量源,比如:太阳能电池;2) 一个用于给节点的其余部分供电的功率转换组件;3) 一个将节点链接到现实世界的感测组件以及一个计算组件 (由微处理器或微控制器组成,负责处理测量数据并将这些数据存贮到存储器中);和 4) 一个由短程无线单元组成的通信组件,用于实现与相邻节点及外部世界的无线通信。

    环境能量源的实例包括连接到某个发热源 (例如:HVAC 管道) 的热电发生器 (TEG) 或热电堆,抑或是连接至某个机械振动源 (如:窗玻璃) 及太阳能电池的压电换能器。在存在发热源的情况下,紧凑的热电器件 (常被称为“换能器”) 能够将很小的温差转换为电能。而当存在机械振动或应变时,则压电器件能够用来把很小的振动或应变差转换为电能。最后,在存在光源的场合中,光伏电池在峰值日照条件下每平方厘米的面积能产生 50W 以上的电功率,而在室内照明条件下则可产生高达 100μW 的电功率。

    一旦电能产生出来,就可以由一个能量收集电路进行转换并调整为合适的形式,用于给下游电子组件供电。因此,一个微处理器可以唤醒一个传感器,以获取读数或测量值,然后读数或测量值可利用一个模数转换器加以处理,以通过一个超低功率无线收发器进行传输。

         

免费能源        能量收集器/管理器        传感器、A/D、微控制器       无线发送器/接收器

 

1:典型能量收集系统或无线传感器节点的主要组成模块

     该链路中的每个电路模块迄今都受到一些特殊的限制,从而影响了它们在商业中的应用。低成本和低功率传感器及微控制器面市已有一段时间,而超低功率收发器只是到最近才实现与微控制器的集成 (以提供非常低功率的无线连接)。不过,该链路中所欠缺的一直是能量收集 IC