本文將介紹在高可靠性至關重要的工業自動化中，將能量收集源應用於電源節點所面臨的設計挑戰。 文中將探討如何將溫度和振動等能量來源與電池系統和無線鏈路相結合，從而確保傳感器節點可精確地放置於合適的位置，同時保持最高的可靠性。
能量收集技術可用於提升工業系統的可靠性和可用性。 此類技術可在不考慮電源或通信鏈路的情況下將傳感器節點定位於所需位置，從而可提供質量更優的數據。 這反過來又爲 Kalman 算法等技術提供趨勢數據，這些數據有助於識別可能要發生的問題，並在故障發生前進行預防性維護或投入備用設備。
能量收集技術可克服由單一電池供電的傳感器節點所面臨的挑戰。 對於遍佈成千上萬個節點的生產車間而言，維護和更換電池是一項代價高昂而耗時的任務。 然而，人們認爲能量收集源極不穩定，可靠性低，因此通常不會考慮將其用於生產應用。 將振動、高溫或太陽能等能量收集源與充電電池相結合則不失爲兩全其美之策。 獨立傳感器節點可輕鬆放置於難以觸及的位置，而充電電池系統可進行數千次充放電，使節點使用壽命顯著延長。
然而，這一組合需要能夠從不規律的弱電流源提供可靠電源的新型電源管理器件。 這類器件採用升降壓架構以專門管理從不同來源捕獲的電能。
利用 Midé 的 Volture V25W 或類似器件收集振動所產生的能量是工廠自動化中寶貴的電能來源。 .
圖 1：Midé 的 Volture V25W 壓電式振動能量發生器。
此壓電器件採用全密閉結構，專門用於惡劣環境。 它可以用作傳感器，也可直接與電源管理芯片和薄膜電池集成以提供可靠的電源。 通過轉換電機振動所產生的能量，此器件專門用於爲工業網絡的傳感器節點以及工業自動化裝置中的無線高電壓空調 (HVAC) 傳感器供電。 此外，還可監測 HVAC 的狀態，這一關鍵功能可確保生產車間的溫度得到嚴格控制，進而確保可靠性。
傳感器安裝于振動源，並調諧至振動源的共振頻率。 通常，120 Hz 交流電機或 60 Hz 設備主頻率會很明顯，調諧因此較爲容易，但大多數應用需要某些振動特徵化形式，以確保振動源以共振頻率運行。
V25W 可與 Maxim 的 MAX17710 等電源管理器件連接。 這一完整的系統可使能量收集源爲微功率蓄電池充電，同時也可保護電池。 它可以管理輸出水平在 1 fW 到 100 mW 之間的穩壓不良能量收集源。 同時，此器件還包含升壓穩壓器電路，可使低至 0.75 V(典型值)的能量收集源爲電池充電。
內部穩壓器可防止電池過度充電;向目標應用提供的輸出電壓通過低壓差 (LDO) 線性穩壓器調節，且可選電壓爲 3.3 V、2.3 V 或 1.8 V。輸出穩壓器可選低功耗或超低功耗運行模式，從而最大程度地減少電池消耗。 內部電壓保護可防止電池過度放電。
圖 2：MAX17710 專門調節至能量收集源的功率。
即便在室內生產車間，太陽能電池也是一種可行的電源。 Spansion 的 MB39C831 是一種高效同步整流升壓 DC/DC 轉換器，可有效地將從單節或多節太陽能電池或熱電發生器 (TEG) 獲取的能量提供給鋰離子電池。
它通過採用最大功率點跟蹤 (MPPT) 算法跟蹤太陽能電池的最大功率點以控制 DC/DC 轉換器輸出，並利用保護功能使鋰離子電池安全充電。
一般情況下，太陽能電池電壓隨負載電流變化而變化，因此在最大功率點處工作是關鍵所在。 控制算法在對比無負載釋放點的基礎上跟蹤最優工作點，實現最高功率轉換效率。
圖 3：MB39C831 跟蹤能量收集源的最優功率點，以實現最高效的能量轉換。
使用低壓設計(圖 3)，能夠以 0.35 V 的電壓啓動。 該器件適合以單節太陽能電池作爲輸入的應用，並以 41 µA 靜態電流提供 3.0 V 到 5.0 V 輸出，爲傳感器節點供電。 該器件的一個關鍵功能在於，它可以在脈衝頻率模式 (PFM) 和脈衝寬度模式 (PWM) 間自動切換，因此可在低輸出功率期間優化功率轉換效率。
此自適應方案還適用於熱能等電能源。 它可以應用於生產車間，利用熱差發電。 Laird WPG-1 等熱力發動機可提供高達 1.5 mW 的有用輸出功率，可處理寬範圍負載電阻值(圖 4)。 該器件集成了超低壓升壓轉換器，能在小於 20°K 的小溫差條件下輸出有用功率。 輸出功率可調節，以適應三種電壓設定點(3.3 V、4.1 V 或 5.0 V)，然後爲傳感器節點或更大的設備供電。
此裝置是一款自足式薄膜熱電功率發生器，能收集廢熱並將其轉換爲無線傳感器網絡可用的 DC 輸出功率。 針對不同的熱差或輸出電壓，可提供自定義設計服務來適應交替式吸熱和散熱機制。
圖 4：Laird WPG-1 熱力發動機電流輸出隨溫差的變化。
進一步提升能量收集源可靠性的一種方法是，在能量被消耗或存儲於自給電池前使用電容器組將其收集起來。 Advanced Linear Devices 的EH300/EH301 系列 EPAD 能量收集模塊可接受來自多種來源的能量，提供 3.3 V 和 5.0 V 傳統輸出，適合具有低功耗斷續佔空比採樣數據、基於狀態的監控以及極高使用壽命要求的應用。 模塊完全由自身供電並始終處於有源模式，因此可接受能量收集源提供的從 0.0 V 到 +/-500 VAC 或 DC 不等的瞬時輸入電壓，以及從 200 nA 到 400 mA 不等的輸入電流，能量收集源產生電能的方式有時穩定，有時斷續、不規律且源阻抗變化不定。
圖 5：Advanced Linear Devices 的 EH300 模塊採用電容器組提供針對多種能量收集源的即時電源管理。
每一個模塊均設定爲在兩個供電電壓閾值間工作，即 +V_low DC 和 +V_high DC，分別對應傳感器節點的最小 (VL) 和最大 (VH) 供電電壓。
當能量源開始向模塊輸入端送入能量作爲電荷脈衝時，這些電荷包被收集、積累並存儲至內部儲能電容器組。 對於最常見的能量收集應用而言，電能電荷包以不可控和不可預測的輸入電壓尖峯的形式出現。 這些電荷包通常涵蓋各種電壓、電流和時序波形，因此很難處理。 例如，EH300 模塊可以 10 µA 的平均輸入電流在 4 分鐘內完成循環，也可僅以 1.0 µA 的平均輸入電流在 40 分鐘內完成循環。
總結
能量收集是一種爲傳感器網絡提供電源的有效方法，並且不受電源電纜限制。 將傳感器放置於所需的位置，通過設備振動或上方燈光供電——這一創新性方法獲取的有用數據可確保工廠系統可靠運轉。 加裝充電電池大大延長了維修和更換週期，同時提供了一種靈活而高效的方法——通過無線傳感器網絡對設備進行可靠監控。
