能量收集的概念已經出現超過 10 年了，然而在現實環境中，由環境能源供電的系統一直很笨重、復雜和昂貴。不過，有些市場已經成功地采用了能量收集方法，如交通運輸基礎設施、無線醫療設備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化市場。尤其是在樓宇自動化系統中，諸如占位傳感器、自動調溫器甚至光控開關等，以前安裝時通常使用的電源或控制配線，現在已經不需要了，取而代之的是，它們采用了局部能量收集系統。

能量收集系統的一個主要應用是樓宇自動化系統中的無線傳感器。為方便說明，我們考慮一下美國能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產的頭號用戶，約占總能耗的 38%，緊隨其后的是交通運輸和工業領域，各占總能耗的 28%。此外，建筑物可以進一步分成商用建筑和民用建筑，在這 38% 的能耗中，分別分得 17% 和 21%。而民用建筑 21% 的能耗數字還可以進一步劃分，其中取暖、通風和空調 （HVAC） 約占民用建筑總能耗的 3/4。目前預計，從 2003 年到 2030 年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動化系統可以節省多達 30% 的能源 ［數據來源：“World Energy， Technology and Climate policy outlook （WETO）”，由歐盟多個研究機構聯合撰寫］。

類似地，一個采用能量收集方法的無線網絡可以將一幢大樓中任何數量的傳感器連接起來，以在非主要區域的大樓或房間中沒人時，調節該區域的溫度或關掉該區域的照明燈，從而降低 HVAC 和電力費用。此外，能量收集電子線路的成本常常低于布設電源線的成本或更換電池所需的日常維護成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經濟收益。

不過，如果每個節點都需要自己的外部電源，那么很多無線傳感器網絡就失去了優勢。盡管電源管理技術確實在持續發展，已經使電子電路能在給定電源情況下工作更長時間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補充方法。因此，能量收集通過將局部環境能源轉換成可用的電能，成為一種給無線傳感器節點供電的方法。環境能源包括光、溫差、振動波束、已發送 RF 信號或能通過換能器產生電荷的任何能源。這些能源在我們周圍到處都是，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發生器 （TEG）、面向振動的壓電組件、面向太陽光 （或室內照明光） 的光伏電池等，可將這些能源轉換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產生的電能。這些所謂的“免費”能源可用來自主地給電子組件和系統供電。

現在所有無線傳感器節點都能以微瓦級平均功率工作，因此用非傳統電源給它們供電是可行的。這導致了能量收集的出現，在使用電池不方便、不現實、昂貴或危險的系統中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補充或代替電池。用收集的能量供電，還可以不再需要導線來供電或傳送數據。此外，工業過程、太陽能電池板或內燃機產生的能量也可以收集起來使用，否則就浪費掉了。

能量收集應用的問題和特性

一個典型的能量收集配置或無線傳感器節點 （WSN） 由 4 個方框組成 （參見圖 1）。它們是：1） 環境能源；2） 換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉換電路；3） 將該節點連接到現實世界的檢測組件和計算組件 （由微處理器或微控制器組成，處理測量數據并將數據儲存到存儲器中）；4） 由短程無線單元組成的通信組件，實現與相鄰節點及外部世界的無線通信。

環境能源的例子包括：連接到 HVAC 管道等發熱源的熱電發生器 （TEG） 或熱電堆；或者連接到諸如窗玻璃等機械振動源的壓電換能器。在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件 （常稱為換能器） 可將小的溫差轉換成電能。而在存在機械振動或壓力的情況下，壓電器件可用來將機械能轉換成電能。

一旦電能產生出來，就可以由能量收集電路轉換并調整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可由一個模數轉換器進行處理，以通過一個超低功率無線收發器傳送。

圖 1：一個典型的能量收集系統或無線傳感器節點的主要組成方框圖

FREE ENERGY SOURCE：免費能源

ENERGY HARVESTER/MANAGER：能量收集器 / 管理器

SENSORS， A/D， uCONTROLLER：傳感器、A/D、微控制器

WIRELESS TRANSMITTER/RECEIVER：無線發送器 / 接收器

有幾種因素影響無線傳感器節點能量收集系統的功耗特性。表 1 概述了這些因素。

表 1：影響無線傳感器節點功耗的因素

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態的時間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。收集器由于其無限的能量供應和功率不足而成為系統能源。輔助電能儲存器 （一個電池或一個電容器） 可產生較高的功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個問題“為了對缺乏環境能量源的情況下提供補償，應在輔助儲存器中存儲多少能量？”究竟需要儲存多少能量將取決于諸多因素，包括：

1. 缺乏環境能量源的時間長度

2. WSN 的占空比 （即數據讀取和傳輸操作必須具備的頻率）

3. 輔助儲存器 （電容器、超級電容器或電池） 的大小和類型

4. 是否可提供既能充當主能量源、同時又擁有充分剩余能量 （用于當其在某些特定時段內不可用時為輔助電能儲存器充電） 的足夠環境能量？

最先進和現成有售的能量收集技術 （例如振動能量收集和室內光伏技術） 在典型工作條件下產生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術大體上與長壽命的主電池類似。此外，采用能量收集的系統一般能在電能耗盡后再充電，而這一點主電池供電的系統是做不到的。

正如已經討論的那樣，環境能源包括光、溫差、振動波束、已發送的 RF 信號，或者其他任何能通過換能器產生電荷的能源。下面的表 2 說明了從不同能源可產生多少能量。

表 2：能源以及它們可產生多少能量

要成功設計一款完全獨立的無線傳感器系統，需要現成的節電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來自低能量環境的電能。幸運的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年左右了，不過只是在最近，超低功率收發器才投入商用。然而，在這一系列環節中，處于落后的一直是能量收集器。現有的能量收集器模塊實現方案 （如圖 1 所示） 往往采用低性能和復雜的分立型結構，通常包括 30 個或更多的組件。此類設計轉換效率低，靜態電流高。這兩個不足之處均導致最終系統的性能受損。低轉換效率將增加系統上電所需的時間，反過來又延長了從獲取一個傳感器讀數至傳輸該數據的時間間隔。高靜態電流則對能量收集源的輸出能達到的最低值有所限制，因為它必須首先提供自己工作所需的電流，多出來的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個領域，凌力爾特公司最近推出的產品 LTC3109、LTC3588-1 和 LTC3105 使性能和簡單性上提升到一個新水平。

這些能量收集 IC 所帶來的新性能水平是采用分立式方案完全無法實現的。因此，它們由于能夠收集非常低的環境能量而成為了推動能量收集系統制造商成長的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發器經濟合算的價位，使其市場接受度得以提升。這也是此類系統在全球范圍的眾多應用中受到大量關注的原因之一。

一個現實世界的例子：“飛機健康狀況監視”

今天，大型機群的結構性疲勞是一個現實問題，因為如果忽視該問題，就可能導致災難性后果。目前，飛機結構狀況是通過多種檢查方法來監視的，如通過改進的結構化分析和跟蹤方法，通過采用評估結構完整性的創新理念 … 等等。這些方法有時又統稱為“飛機健康狀況監視”方法。在飛機健康狀況監視過程中，采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法以實時進行連續的健康狀況評估。

聲發射檢測是定位和監視金屬結構中產生裂縫的領先方法。這種方法可以方便地用來診斷合成型飛機結構的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結構完整性，或者立即采取維修行動。這種檢測方法使用由壓電芯片構成的扁平檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結構體表面，通過三角定位能夠定位裝載了傳感器的結構體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數據，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數表示這些數據。

因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結構分析，不過為這些傳感器供電可能很復雜。因此，如果以無線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機環境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/或壓電能收集。

在典型的飛機發動機情況下，其溫度可能在幾百 oC 到 1，000oC 甚至 2，000oC的范圍內變化。盡管這種能量大多數都以機械能 （燃燒和發動機推力） 的形式損失了，但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學現象，那么要考慮的主要方程是：

P = ηQ

其中 P 是電功率，Q 是熱量，η 是效率。

較大的熱電發生器 （TEG） 使用更多熱量 （Q），產生更多功率 （P）。類似地，使用數量為兩倍的功率轉換器自然產生兩倍的功率，因為它們可以獲取兩倍的熱量。較大的熱電發生器通過串聯更多的 P-N 節形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產生更大的電壓 （mV/dT），但是也增大了熱電發生器的串聯電阻。這種串聯電阻的增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應用需求的不同而有所不同，有時使用較小的并聯熱電發生器而不是使用較大的熱電發生器會更好。不管選擇哪一種熱電發生器，都有很多廠商提供商用熱電發生器產品。

通過給一個組件施加壓力，可以產生壓電，而壓電反過來又產生一個電位。壓電效應是可逆的，展現正壓電效應 （當加上壓力時，產生一個電位） 的材料也展現反壓電效應 （當加上一個電場時，產生壓力和/或應力）。

為了優化壓電換能器，需要確定壓電源的振動頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設計一款壓電元件，以機械的方式將其調諧至特定的振動頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動將觸發正壓電效應，從而導致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級。既然每次撓曲產生的電荷量相對較少，那么有必要對這個 AC 信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。

就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權衡問題。不過，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現實的解決方案，可以非常方便地與現有技術一起使用。下表總結了這兩種方法的優缺點：

注 1：在飛機中獲得溫度差的最佳途徑是，獲取飛機機艙內“皮”溫度與機艙內部溫度之差。

能量收集電源轉換 IC

LTC3109 是一種高度集成的 DC-DC 轉換器和電源管理器。它能從諸如 TEG （熱電發生器）、熱電堆甚至小型太陽能電池等極低的輸入電壓源收集和管理多余的能量。其獨特的專有自動極性拓撲允許該器件用低至 30mV 的輸入電源工作，而不管電源極性如何。

圖 2：LTC3109 的典型應用原理圖

TEG （THERMOELECTRIC GENERATOR）：TEG （熱電發生器）

±30mV TO ±500mV：±30mV 至 ±500mV

OPTIONAL SWITCHED OUTPUT FOR SENSORS：面向傳感器的可選開關輸出

LOW POWER RADIO：低功率射頻

SENSOR（s）：傳感器

上面的電路用兩個緊湊型升壓變壓器來提高 LTC3109 輸入電壓源的電壓，然后該器件為無線檢測和數據采集提供一個完整的電源管理解決方案。它能收集小的溫度差，不用傳統的電池電源，就能產生系統電源。

就低至 30mV 的輸入電壓而言，推薦使用主-副匝數比約為 1:100 的變壓器。就更高的輸入電壓而言，可用更低的匝數比來獲得更大的輸出功率。這些變壓器是標準、現成有售的組件，而且諸如 Coilcraft 等磁性元件供應商可穩定供貨。

LTC3109 采用一種“系統級”方法來解決復雜問題。它轉換低壓源，并管理多個輸出之間的能量。用 LTC3109 外部的充電泵電容器和內部的整流器對每個變壓器副端繞組上產生的 AC 電壓升壓并整流。該整流器電路將電流饋送進 VAUX 引腳，從而向外部 VAUX 電容器、然后是其他輸出供電。

內部 2.2V LDO 可以支持低功率處理器或其他低功率 IC。該 LDO 由 VAUX 和 VOUT 二者之間較高的一個供電。這使它能在 VAUX 一充電到 2.3V 就能有效運行，同時 VOUT 存儲電容器仍然在充電。倘若 LDO 輸出上有階躍負載，那么如果 VAUX 降至低于 VOUT，電流就可能來自主 VOUT 電容器。該 LDO 能提供 3mA 輸出電流。

VSTORE 電容器也許值非常大 （數千微法甚至數法拉），以在輸入電源可能掉電時保持供電。一旦加電完成，那么主輸出、備份輸出 和開關輸出都可用。如果輸入電源發生故障，那么仍然可以利用 VSTORE 電容器的供電繼續運行。

LTC3588-1 是一款完整的能量收集解決方案，為包括壓電換能器在內的低能量電源而優化。壓電器件通過器件的擠壓或撓曲產生能量。視尺寸和構造的不同而不同，這些壓電元件可以產生數百 uW/cm2 的能量。

圖 3：LTC3588 的典型應用原理圖

OUTPUT VOLTAGE SELECT：輸出電壓選擇

應該提到的是，壓電效應是可逆的，即展現直接壓電效應 （一加上壓力就產生電位） 的材料也展現反向壓電效應 （一加上電壓就產生壓力和/或應力，即撓曲）。

LTC3588-1 在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，從而非常適用于多種壓電換能器以及其他高輸出阻抗能源。其高效率降壓型 DC/DC 轉換器提供高達 100mA 的連續輸出電流或者甚至更高的脈沖負載。其輸出可以設定為 4 個固定電壓 （1.8V、2.5V、3.3V 或 3.6V） 之一，以給無線發送器或傳感器供電。輸出處于穩定狀態 （無負載） 時，靜態電流僅為 950nA，從而最大限度地提高了總體效率。

LTC3588-1 用來直接與壓電或可替代高阻抗 AC 電源連接、給電壓波形整流以及在外部存儲電容器中儲存收集到的能量，同時通過一個內部并聯穩壓器消耗過多的功率。具 1V 至 1.4V 遲滯窗口的超低靜態電流 （450nA） 欠壓閉鎖 （ULVO） 模式使電荷能在存儲電容器上積累，直到降壓型轉換器能高效率地將部分儲存的電荷傳送到輸出為止。

LTC3105 是一款超低電壓升壓型轉換器和 LDO，專門用來極大地簡化從低壓、高阻抗可替換電源收集和管理能量的任務，如光伏電池、熱電發生器 （TEG）、燃料電池等電源。其同步升壓型設計以低至 250mV 的輸入電壓啟動，從而使該器件非常適用于在不夠理想的照明條件下，從甚至最小的光伏電池收集能量。其 0.2V 至 5V 的寬輸入電壓范圍使該器件成為多種應用的理想選擇。集成的最大功率點控制器 （MPPC） 使 LTC3105 能抽取電源能所提供的最大可用功率。如果沒有 MPPC，電源能產生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動調節，以最大限度地提高電源轉換效率，同時突發模式 （Burst Mode?） 工作將靜態電流降至僅為 22uA，從而最大限度地降低了能量儲存元件的漏電流。超低 IQ LDO 能直接給流行的低功率微控制器或傳感器電路供電。如果沒有 MPPC，電源轉換器能產生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動調節，以最大限度地提高電源轉換效率，同時突發模式 （Burst Mode?） 工作將靜態電流減小至僅為 22μA，從而最大限度地降低了能量儲存元件的漏電流。超低 IQ LDO 能直接給常用的低功率微控制器或傳感器電路供電。

圖 4 所示電路采用了 LTC3105，用單節光伏電池給單節鋰離子電池充電。在太陽能能源可用時，該電路能使電池連續充電，而當太陽能能源不再可用時，電池能用儲存的能量給應用供電。

圖 4：利用單節光伏電池的鋰離子電池涓流充電器

PHOTOVOLTAIC CELL：光伏電池

Li-Ion：鋰離子電池

LTC3105 能以低至 250mV 的電壓啟動。在啟動時，AUX 輸出最初在同步整流器禁止的情況下充電。一旦 VAUX 達到約 1.4V，該轉換器就離開啟動模式，進入正常工作狀態。最大功率點控制在啟動時不使能，不過，電流從內部限制到足夠低的水平，以允許靠電流非常小的輸入電源啟動。盡管該轉換器處于啟動模式，但是 AUX 和 VOUT 之間的內部開關仍然保持禁止，而且 LDO 也是不采用。參見圖 5 所示典型啟動時序舉例。

當 VIN 或 VAUX 高于 1.4V 時，轉換器進入正常工作狀態。轉換器繼續給 AUX 輸出充電，直到 LDO 輸出進入穩定狀態為止。一旦 LDO 輸出進入穩定狀態，轉換器就開始給 VOUT 引腳充電。VAUX 仍然保持足夠高的值，以確保 LDO 處于穩定狀態。如果 VAUX 高于保持 LDO 穩定所需的值，那么就從給 AUX 輸出充電轉變為給 VOUT 輸出充電。如果 VAUX 下降太多，那么電流就重新流向 AUX 輸出，而不是用來給 VOUT 輸出充電。一旦 VOUT 上升到高于 VAUX，就啟動一個內部開關，以將這兩個輸出連接到一起。

如果 VIN 高于被驅動的輸出 （VOUT 或 VAUX） 上的電壓，或被驅動的輸出低于 1.2V，那么同步整流器就禁止，并以關鍵的傳導模式工作，從而甚至在 VIN 》 VOUT 時，仍能實現穩定狀態。

如果輸出電壓高于輸入電壓并高于 1.2V 時，那么同步整流器就啟動。在這種模式時，SW 和 GND 之間的 N 溝道 MOSFET 啟動，直到電感器電流達到峰值電流限制為止。一旦達到電流限制，N 溝道 MOSFET 就關斷，SW 和被驅動輸出之間的 P 溝道 MOSFET 就啟動。該開關一直保持接通，直到電感器電流降至低于谷值電流限制為止，然后重復該周期。當 VOUT 達到穩定點時，連接到 SW 引腳的 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 都禁止，轉換器進入休眠狀態。

圖 5：典型的 LTC3105 啟動時序

INDUCTOR CURRENT：電感器電流

TIME：時間

OUTPUT VOLTAGE：輸出電壓

LDO IN REGULAION： LDO 處于穩定狀態

START-UP MODE：啟動模式

NORMAL OPERATION：正常工作

VOUT SYNCHRONOUS RECTIFIER ENABLED：VOUT 同步整流器啟動

VOUT IN REGULATION：VOUT 處于穩定狀態

為了給微控制器和外部傳感器供電，一個集成的 LDO 提供穩定的 6mA 軌。該 LDO 由 AUX 輸出供電，從而允許該 LDO 在主輸出仍然在充電時達到穩定狀態。LDO 的輸出電壓可以是固定的 2.2V，或可通過電阻器分壓器調節。

集成的最大功率點控制電路允許用戶為給定電源設定最佳輸入電壓工作點，參見圖 6。MPPC 電路動態調節電感器的平均電流，以防止輸入電壓降至低于 MPPC 門限。當 VIN 高于 MPPC 電壓時，電感器電流增大，直到 VIN 被拉低至 MPPC 設定點為止。如果 VIN 低于 MPPC 電壓，那么電感器電流就減小，直到 VIN 升高到 MPPC 設定點為止。

圖 6： 面向單節光伏電池的典型最大功率點控制點

cell current （Amp） ：電池電流 （A）

cell voltage （Volt） ：電池電壓 （V）

current （A） ：電流 （A）

maximum power point （MPP） ：最大功率點

cell performance （Walt） ：電池性能 （W）

LTC3105 納入了在輕負載時最大限度地提高效率的功能，同時，通過將電感器峰值和谷值電流作為負載的函數加以調節，還在重負載時增強了提供功率的能力。在輕負載時，將電感器峰值電流降至 100mA，可降低傳導損耗，從而優化了效率。隨著負載增加，電感器峰值電流自動提高至 400mA （最大值）。當在中等負載時，電感器峰值電流可能在 100mA 至 400mA 之間變化。上述功能的優先級低于 MPPC 功能，并僅當電源提供的功率超過負載所需時才起作用。

在諸如光伏轉換之類的應用中，輸入電源也許長時間不存在。為了在這類情況下防止輸出放電，LTC3105 納入了欠壓閉鎖 （UVLO） 功能，如果輸入電壓降至低于 90mV （典型值），那么該功能就強制轉換器進入停機模式。在停機模式，連接 AUX 和 VOUT 的開關啟動，LDO 置于反向隔離模式，流進 VOUT 的電流降至 4uA （典型值）。在停機模式，通過 LDO 的反向電流限于 1uA，以最大限度地減輕輸出放電。

結論

由于擁有模擬開關模式電源設計專長的人員在全球范圍內都處于短缺的局面，因此要設計出如圖 1 所示的高效能量收集系統一直是很困難的事。面臨的主要障礙是與遠程無線感測相關聯的電源管理。不過，隨著LTC3105、LTC3109 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況即將完全改變。這些器件能夠從幾乎所有的光源、熱源或機械振動源提取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設計的簡易性，它們還極大地簡化了能量收集鏈中難以完成的功率轉換設計。對于 WSN 設計師而言這是個好消息，因為其高集成度 （包括電源管理控制和現成有售的外部組件） 使之成為目前市面上最小、最簡單和易于使用的解決方案。

因此，系統設計師和系統規劃師必須從一開始就優先滿足電源管理需求，以確保高效率的設計和成功的長期部署。幸運的是，領先的高性能模擬 IC 制造商現在提供越來越多的能量收集電源管理 IC，從而極大地簡化了此項任務。