让WSN节点不断电　能源采集系统加速取代电池

凌力尔特电源管理产品部副总裁暨总经理Don Paulus

人类周遭存在许多环境能源，过去能源采集的传统方法，往往是藉助太阳能板和风力发电机，不过，新的能源采集工具让使用者能运用各式环境能源产生电能，而且，重要之处不在于电路的能量转换效率，而是在于可为其供电的「平均采集」能量值，例如热电产生器可转换热量、压电元件可转换机械振动、光伏元件用于转换阳光，并且上述工具将进一步将这些环境能源转换成为可用的电能。这些能源采集元件能够为远端感测器供电或对电能记忆体(例如电容器或薄膜电池)进行充电，并对微处理器(MPU)或发送器实施远端供电，而毋须使用本地电源。

或许有人会认为，在整个能量采集过程中直流对直流(DC-DC)转换器电路的转换效率是为关键的因素，然而事实并非如此。整个无线感测网路(WSN)的转换效率才是重要的。推理过程十分简单，透过估算WSN可向系统提供多少环境能量，即可确定任意读取和传送操作的工作周期比，因此，对于任何应用产品，WSN转换效率系决定整体方案之实用性的重要关键。

现行能量采集技术如振动能量采集和室内光伏单元在典型工作条件下将产生毫瓦(mW)量级的功率。如此低的功率似乎用起来很受限，但无论就能量供应还是就所提供的每能量的单位成本而言，这些技术大体上已可与长寿命的主电池匹敌。此外，能源采集系统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、已发送的射频(RF)讯号，或者任何其他能通过换能器产生电荷的能源。表1列出从不同能量源可产生的能量。

当试图实现单个或多个WSN能源采集系统时，所须要考虑的是整体系统运作需要多少功率。从原理上而言，这似乎相当直觉明瞭，然而，在现实中由于诸多因素的影响而使其难度略有增加，测试者须得知获取读数的频率是多少？资料封包将会多大？系统须要将读数传送到多远的地方？对于单颗感测器读数，收发器约消耗50%的系统所用能量，表2概要罗列影响WSN能源采集系统功耗特性的因素。

能源采集器/辅助电能储存器互助 确保WSN供电无虞

由能源采集系统所提供的电源量取决于系统处于操作状态的时间，因此衡量能源采集系统的主要标准为功率密度，而非能量密度。能源采集系统一般会遇到变动和不可预测的可用功率，因而须采用能源采集器和辅助电能储存器相连的混合结构。由于采集器可有无限的能量供应而成为系统能源，而辅助电能储存器(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，后者仅在必要的时候供电，其他情况下则定期从采集器接收电能，所以WSN在没有可供采集功率的环境能源时，必须以辅助电能储存器供电。

从系统设计人员的角度而言，这将进一步增加设计复杂程度，因为他们必须考虑一个问题--为对缺乏环境能量源的WSN提供补偿电力，应在辅助储存器中存储多少能量？其取决的因素包括能量采集器缺乏环境能量源的时间长度、WSN工作周期比(即资料读取和传输操作必须具备的频率)、辅助储存器(电容器、超级电容器或电池)的大小和类型、环境能量是否可提供既能充当主能量源，同时又拥有充分剩余能量为辅助电能储存器充电？以下将就能源采集应用的DC-DC转换IC特性概述，一般而言，为能量采集应用所接纳和采用所需的必要IC性能特征包括：

・低待机静态电流

运作电流通常小于6微安培(μA)，并可低至450奈安培(nA)

・低启动电压

低至20毫伏特(mV)

・高输入电压能力

高达34伏特(连续)和40伏特(暂态)

・能够处理交流电(AC)输入

・多输出能力和自主型系统电源管理

・自动极性操作

・针对太阳能输入的功率点控制(MPPC)

・能够从低至1°C的温差采集能量

・接脚占位精小且外部元件极少


抢搭能源成本顺风车 能源采集系统逐渐崭露头角

在可替代能源所带来的诸多发展契机中，太阳能供电型电子装置市场为绝佳例子，在各家公司致力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成长的态势。以智慧电表为例，为降低运行能源成本，部署在智慧电网上的智慧电表将很有可能由某种环境能量源来供电，而太阳能即为丰富的能量来源。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，汲取尽可能多的太阳能以对这些电池进行快速充电并保持其电荷状态为系统设计的重要目标。

反之，倘若智慧电表采用电池做为其主电源，则电源转换和管理电子元件在待机模式中将必须具非常低的静态电流，以延长电池使用寿命，而目前业界已能提供一系列静态电流水准低于25微安培的晶片。

所有因应绿色能源或能量采集的产品都将在今年之后逐渐崭露头角。由于市场对能源成本和环境问题的关注以及延长行动装置电池使用寿命的需求升温，业界对于包括智慧电网在内的众多应用的功率优化产品均投入巨大的精力开展相关的研发。此外，目前已有高能效产品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。以上资源皆使设计人员能够开发和实现毋需供电导线或电池的WSN，并真正地充分利用周围丰富的免费环境能源。