物聯(lián)網(wǎng)指的是一種日益顯著(zhù)的趨勢，即不僅將人和電腦、而且將所有東西連接到互聯(lián)網(wǎng)，因此人、電腦和所有東西也就實(shí)現了互聯(lián)。例如，如果要部署工廠(chǎng)或大型基礎設施應用，那么盡可能多地連接位于不同地點(diǎn)的傳感器 (或傳動(dòng)器)，就可以提高效率、增強安全性并實(shí)現全新業(yè)務(wù)模式。

傳統上，各種不同類(lèi)型的傳感器靠導線(xiàn)連接到電源。然而，如今面對的問(wèn)題不再是圍繞場(chǎng)地設施布設電纜的挑戰和費用，因為現在可以安裝可靠、工業(yè)強度的無(wú)線(xiàn)傳感器，這些傳感器可以靠一塊小型電池甚至可從光、振動(dòng)或溫度變化中收集的能量工作很多年。另外，也可以通過(guò)組合可再充電電池與多種環(huán)境能源來(lái)供電。同時(shí)，由于內在的安全問(wèn)題，有些可再充電電池不能以有線(xiàn)方式充電，而需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)功率傳送方式充電。

引言

最新和現成有售的能量收集 (EH) 產(chǎn)品 (例如振動(dòng)能量收集和室內光伏電池) 在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這樣的功率級也許看似用處有限，但是能量收集組件在若干年內連續運行可能意味著(zhù)，無(wú)論就所提供的總能量還是就每能量單位的成本而言，能量收集產(chǎn)品與長(cháng)壽命主電池大致上都是可比的。此外，采用能量收集技術(shù)的系統一般能夠在電量耗盡之后再充電，而由主電池供電的系統就不可能做到這一點(diǎn)。

不過(guò)，大多數解決方案會(huì )將環(huán)境能源作為主電源，將電池作為補充，如果環(huán)境能源消失或中斷提供，就可以將電池轉接進(jìn)來(lái)。這種電池可以是、也可以不是可再充電的，是否用可再充電電池，通常由最終應用本身決定。所以，所遵循的原則是，如果最終部署環(huán)境易于進(jìn)入，方便不可再充電電池的更換，維護人員能夠以經(jīng)濟實(shí)惠的方式更換不可再充電電池，那么使用不可再充電電池就有經(jīng)濟意義。如果更換電池耗時(shí)費力、成本高昂，那么采用可再充電電池就更有經(jīng)濟意義。

即使選擇了可再充電電池，給電池充電的最佳方法仍然需要探討。如下一些因素會(huì )影響這一決定：

1. 是否存在有線(xiàn)電源給電池充電
2. 環(huán)境能源是否提供充足的功率，足夠同時(shí)給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 供電以及給電池充電
3. 是否由于內在安全要求以及由于部署存在危險性，而需要通過(guò)無(wú)線(xiàn)功率傳送來(lái)給電池充電

適用的能量收集和無(wú)線(xiàn)充電解決方案

對于這類(lèi)富有挑戰性的系統之設計師而言，好消息是，已經(jīng)有一些電源 IC 具備必要的功能和性能特性，能夠通過(guò)能量收集，為可穿戴技術(shù)應用提供量級如此之低的功率。為此，凌力爾特公司不久前推出了兩款器件 LTC3331 和 LTC4120。

LTC3331 是一款能量收集器件，可以延長(cháng)電池壽命，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(cháng)器 

LTC3331 是一款完整的能量收集調節解決方案，提供高達 50mA 的連續輸出電流，當可收集能源可用時(shí)，用來(lái)延長(cháng)電池壽命。該器件用收集的能量向負載提供穩定功率時(shí)，不需要電池提供電源電流，在無(wú)負載情況下靠電池供電時(shí)，僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源，還有一個(gè)靠可再充電電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，以向能量收集應用提供單一不間斷輸出，例如無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的能量收集應用。

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)提供 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉換器組成，從壓電 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分路電流允許用收集的能量簡(jiǎn)便地給電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電�？稍俪潆婋姵亟o同步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器的輸入工作電壓范圍為 1.8V 至 5.5V，當收集能源不可用時(shí)，無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出，都可用來(lái)調節輸出。LTC3331 的電池充電器具備一種非常重要的電源管理功能，使用微型功率電源時(shí)，這一功能不可忽視。LTC3331 提供對電池充電器的邏輯控制功能，以便僅當能量收集電源有富余的能量時(shí)，才給電池充電。如果沒(méi)有這一邏輯控制功能，能量收集電源會(huì )在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，而不能在啟動(dòng)中給設定的應用供電。當收集能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉換到電池。這又增加了一個(gè)好處：如果適用的能量收集電源至少在一半時(shí)間內可用，那么電池供電無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工作壽命可延長(cháng) 10 年至超過(guò) 20 年，如果可收集能源更加廣泛可用的話(huà)，壽命甚至可以進(jìn)一步延長(cháng)。該器件還集成了一個(gè)超級電容器平衡器，以提高輸出存儲容量。

不久前針對這類(lèi)應用推出的第二款 IC LTC4120，這是一款無(wú)線(xiàn)功率接收器和電池充電器。該器件集成了 PowerbyProxi (凌力爾特公司的技術(shù)合作伙伴) 的專(zhuān)利技術(shù)。PowerbyProxi 已獲專(zhuān)利的動(dòng)態(tài)協(xié)調控制 (Dynamic Harmonization Control，簡(jiǎn)稱(chēng) DHC) 技術(shù)實(shí)現了高效率非接觸式充電，而且在接收器中不會(huì )產(chǎn)生熱量或電氣負擔過(guò)重問(wèn)題。采用這種技術(shù)，可以通過(guò)長(cháng)達 1.2cm 的距離傳送高達 2W 功率。然而，對單節鋰離子電池而言，最高充電電壓為 4.2V，最大充電電流為 400mA，這將使 DHC 技術(shù)的傳送功率限制到 1.7W。類(lèi)似地，2W 最大功率將兩節鋰離子電池 (8.4V 最高充電電壓) 的充電電流限制到 240mA。

功率、效率、距離和尺寸的大小決定了系統性能，因此，基于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)電源系統設計為，當使用幾種可選發(fā)送器的其中一款時(shí)，通過(guò)長(cháng)達 1.2cm 的距離在電池端接收高達 2W 的功率。視所采用方法和組件的不同而不同，效率計算結果會(huì )有很大變化。在基于 LTC4120 的系統中，一般情況下，電池會(huì )接收 45% 至 55% 饋送到發(fā)送器的 DC 輸入功率。

LTC4120 中嵌入的 PowerbyProxi 專(zhuān)利 DHC 調諧技術(shù)與其他無(wú)線(xiàn)電源解決方案相比有一些顯著(zhù)優(yōu)勢。為了響應環(huán)境和負載變化，DHC 動(dòng)態(tài)改變接收器上諧振儲能電路的諧振頻率。DHC 在允許更長(cháng)傳送距離的同時(shí)，實(shí)現了更高的功率傳送效率，從而使接收器尺寸能夠更小。與其他無(wú)線(xiàn)功率傳送技術(shù)不同，DHC 允許內在功率管理成為感應電場(chǎng)的組成部分，從而在電池充電周期中，無(wú)需用單獨的通信通道驗證接收器或管理負載需求變化。

顯然，DHC 解決了所有無(wú)線(xiàn)電源系統的基本問(wèn)題。所有系統都必須設計為，通過(guò)給定最長(cháng)傳送距離接收一定量的功率。所有系統也都必須設計為，在最短傳送距離時(shí)能夠承受無(wú)負載情況而不被損壞。其他同類(lèi)解決方案用復雜的數字通信系統解決這一問(wèn)題，這増加了復雜性和成本，限制了功率傳送距離�；�于 LTC4120 的無(wú)線(xiàn)電源系統用 PowerbyProxi DHC 技術(shù)簡(jiǎn)便地解決了這一問(wèn)題。

圖 2：LTC4120 應用原理圖說(shuō)明了一個(gè)完整的無(wú)線(xiàn)電池充電電路

結論

即使采用能量收集系統的工業(yè) WSN 應用需要大小不同的功率以實(shí)現正確運作，范圍可從微瓦到大于 1W，但幸運的是，已有一些電源轉換 IC 可供系統設計師選擇。

LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(cháng)器與 LTC4120 無(wú)線(xiàn)功率傳送電池充電器為多種低至中功率應用提供了必要的功能，為物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)品的爆炸性增長(cháng)提供了動(dòng)力。