現(xiàn)今無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)多半須更換電池，導(dǎo)致維運(yùn)成本過(guò)高。新一代能量采集晶片同時(shí)具備整流及降壓功能，因此當(dāng)環(huán)境能源可用時(shí)，可持續(xù)采集能源為感測(cè)器節(jié)點(diǎn)供電，而當(dāng)無(wú)法使用環(huán)境能源時(shí)，則會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換至電池供電，能有效減少電池電力消耗。

遠(yuǎn)端無(wú)線感測(cè)器以往均依賴(lài)電池供電來(lái)測(cè)量資料，并以無(wú)線方式發(fā)送，當(dāng)無(wú)線感測(cè)器節(jié)點(diǎn)位在人員可及之處，便可由人力進(jìn)行電池更換;此方式雖可靠，但感測(cè)器的可用壽命將取決于電池壽命，一般電池可用壽命約5～10年，同時(shí)價(jià)格昂貴。

有些應(yīng)用情形難以為電池充電，且人工為電池充電的執(zhí)行費(fèi)用高昂，如為核電廠、煉油廠甚至地下設(shè)施中的無(wú)線感測(cè)器電池充電，費(fèi)用可能相當(dāng)龐大;若改用較大的電池雖可提供較長(zhǎng)壽命，但當(dāng)尺寸更大，成本就更高。如此一來(lái)，如何讓電池達(dá)更長(zhǎng)續(xù)航力，就成為一個(gè)重要課題。

提供額外電源能量采集降低電池依賴(lài)

關(guān)于延長(zhǎng)電池壽命的問(wèn)題，能量采集提供可能的解決途徑。當(dāng)可采集能源可用時(shí)，便透過(guò)該能源為感測(cè)器節(jié)點(diǎn)供電;當(dāng)沒(méi)有可采集能源時(shí)，則改由主電池為感測(cè)器節(jié)點(diǎn)供電。當(dāng)然，能量采集并非新概念，第一座采用水和重力驅(qū)動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)的水力發(fā)電廠建于1882年，提供綠能和可持續(xù)的電力來(lái)源，是一種大規(guī)模龐可采集能源。然而，因這種能源極度依賴(lài)自然地形，因此需要大型、昂貴的傳輸網(wǎng)路;同時(shí)，傳輸損耗將隨距離加長(zhǎng)而升高，因此大幅降低可用功率。

不過(guò)，在很多情況下，無(wú)線網(wǎng)路感測(cè)節(jié)點(diǎn)所需電力僅幾毫瓦(mW)功率，所以可使用規(guī)模較小的能量采集解決方案，為尺寸精巧、采無(wú)線傳送方式，且在功率譜低階的應(yīng)用供電。

盡管太陽(yáng)能電池(光伏電池)與壓電換能器等非傳統(tǒng)電源已廣為熟知，但利用此類(lèi)非傳統(tǒng)電源供電卻仍具挑戰(zhàn)性;這類(lèi)電源需要特定的電源轉(zhuǎn)換電路，以高效率進(jìn)行采集、管理，并將能源轉(zhuǎn)換成電能，為感測(cè)器、微控制器(MCU)和無(wú)線換能器供電。

不論在電源電壓高于所需電壓，必須降壓轉(zhuǎn)換為可用電壓時(shí)，或在某些情況下須要先整流，再進(jìn)行降壓轉(zhuǎn)換，以上情況皆需特定的能量采集電路。這類(lèi)電路是非常復(fù)雜的分立式電路，具有多達(dá)三十個(gè)元件，且須提供夠高的效率以適合實(shí)際使用。直到不久前，專(zhuān)門(mén)的能量采集電源積體電路(IC)出現(xiàn)了，這類(lèi)IC結(jié)合適當(dāng)?shù)膿Q能器，可組成精巧、簡(jiǎn)單且效率非常高的電源轉(zhuǎn)換及管理解決方案。

超低功率應(yīng)用適用于多種無(wú)線系統(tǒng)，如交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)檢測(cè)、大樓自動(dòng)化、資產(chǎn)追蹤等。此類(lèi)型系統(tǒng)通常處于備用模式(休眠)，僅需幾微瓦(W)功率維持運(yùn)作;系統(tǒng)喚醒后，感測(cè)器測(cè)量壓力、溫度或機(jī)械偏轉(zhuǎn)等參數(shù)，以無(wú)線方式將資料傳送到遠(yuǎn)端系統(tǒng)管理器;進(jìn)行測(cè)量、處理和傳輸所用的全部時(shí)間通常僅幾毫秒(ms)，但在幾毫秒內(nèi)卻需要數(shù)十毫瓦功率。上述應(yīng)用的工作期間通常很短，所以必須采集的平均功率仍然可以相對(duì)較小。

盡管電源可能只是一塊電池，它仍須透過(guò)人工替換;若可采用以環(huán)境能源為主的能量采集設(shè)計(jì)，當(dāng)沒(méi)有環(huán)境能源可用時(shí)才使用電池，那么電池壽命將可大幅延長(zhǎng)。

以大樓自動(dòng)化的無(wú)線感測(cè)器系統(tǒng)為例，其位元感測(cè)器、恒溫器、光感應(yīng)開(kāi)關(guān)等系統(tǒng)省去一般所需的電源或控制布線，而是透過(guò)能量采集而來(lái)的環(huán)境能源和電池，為無(wú)線網(wǎng)路供電，除了不必一開(kāi)始就安裝線纜，此替代方案也不須有線系統(tǒng)的日常維護(hù)，進(jìn)一步節(jié)省費(fèi)用支出。

此外，使用能量采集技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)路，還可連接大樓內(nèi)部感測(cè)器，當(dāng)建筑內(nèi)無(wú)人時(shí)，系統(tǒng)自行關(guān)閉非必要區(qū)域電源，以此減少熱量、通風(fēng)與空調(diào)(HVAC)以及照明費(fèi)用。

一個(gè)基于能量采集的HVAC監(jiān)視系統(tǒng)，例如工業(yè)園區(qū)內(nèi)的強(qiáng)制空氣流動(dòng)管道，該系統(tǒng)須連續(xù)監(jiān)視空氣流動(dòng)速度、溫度和壓力;所有無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)都可能內(nèi)建溫度、壓力和空氣流動(dòng)感測(cè)器，每隔5秒鐘便進(jìn)行一次測(cè)量。由于HVAC系統(tǒng)分布距離相當(dāng)長(zhǎng)，且通常埋入大樓基礎(chǔ)設(shè)施地底，所以架設(shè)供電和資訊傳輸線纜的費(fèi)用非常高，且線纜須要時(shí)常維護(hù)，同樣是一筆龐大的開(kāi)銷(xiāo)。

定期更換電池的費(fèi)用非常高昂，因取出每一塊電池都須雇用專(zhuān)人執(zhí)行。其解決方案為建構(gòu)一個(gè)可連續(xù)運(yùn)行的電源系統(tǒng)，當(dāng)環(huán)境能源可用時(shí)，使用采集的環(huán)境能量;當(dāng)沒(méi)有環(huán)境能量可采集使用時(shí)，用電池供電，以盡量減少電池消耗。

目前最普遍、最容易取得的環(huán)境能源之一是振動(dòng)，小型壓電換能器可將HVAC壓縮機(jī)上的振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成小電流交流(AC)電訊號(hào)(圖1)。這種采集能源須要整流和降壓，以提供可用的低電壓，為無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)供電;其電池可用作備份電源，在暫時(shí)沒(méi)有采集能源可用時(shí)使用，能有效延長(zhǎng)電池壽命。

目前市面上已有能量采集穩(wěn)壓解決方案，當(dāng)采集能源可用時(shí)，其能提供達(dá)50毫安培(mA)的連續(xù)輸出電流，進(jìn)而延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)從采集能源向負(fù)載穩(wěn)定供電時(shí)，該IC毋須電池提供電源電流;在無(wú)負(fù)載情況下由電池供電時(shí)，僅須750奈安培(nA)工作電流。

新一代整合一個(gè)高壓能量采集電源和一個(gè)同步升降壓直流對(duì)直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器;該轉(zhuǎn)換器由主電池供電，為無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)中常見(jiàn)的能量采集應(yīng)用產(chǎn)生單一無(wú)中斷輸出。能量采集電源由一個(gè)適合AC或DC輸入的全波橋式整流器，和一個(gè)高效率降壓轉(zhuǎn)換器組成，從壓電(AC)、太陽(yáng)(DC)或磁(AC)能源采集能量;主電池輸入為升降壓轉(zhuǎn)換器供電，當(dāng)沒(méi)有采集能量可用時(shí)，該轉(zhuǎn)換器會(huì)工作于1.8?5.5伏特的輸入電壓范圍，以便在輸入電流高于、低于或等于輸出電流時(shí)，都能立即調(diào)節(jié)，同時(shí)裝置將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池供電(圖2)。

圖2壓電能量采集主電池原理圖

一般而言，相關(guān)應(yīng)用可能使用圖2中AC1端的DC輸入，而且有可能同時(shí)使用AC2端的第二個(gè)輸入，或者使用跨AC1和AC2連接的單個(gè)AC輸入。若能量采集電源是AC電源，例如由壓電換能器產(chǎn)生的電源，那么能量采集穩(wěn)壓晶片就會(huì)透過(guò)整合式全波橋式整流器，為輸入電容提供DC電壓;而DC能量則直接儲(chǔ)存于輸入電容中，一旦輸入電容上的電壓超過(guò)欠壓鎖定(ULVO)，其輸入優(yōu)先順序設(shè)定器便會(huì)關(guān)斷電池，并調(diào)節(jié)來(lái)自采集電源的輸出。輸出電壓(VOUT)從1.8?5伏特是接腳可設(shè)定的，該輸出通常為射頻(RF)收發(fā)器供電。

此外，1.2?3.3伏特的線性穩(wěn)壓器(LDO)輸出具低雜訊，一般做為微處理器內(nèi)核電源使用。當(dāng)使用能量采集電源時(shí)，此兩個(gè)輸出相互結(jié)合，可提供高達(dá)125毫安培的輸出電流;當(dāng)電池啟動(dòng)時(shí)，可提供50毫安培電流。在能量采集模式時(shí)，如果有多余的輸出功率，則可存在超級(jí)電容中以備將來(lái)所需，如此可進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。裝置內(nèi)建的超級(jí)電容平衡器則用來(lái)進(jìn)一步最佳化能量?jī)?chǔ)存;其中，在使用能量采集電源時(shí)，電池的靜態(tài)電流為零，因此所有電池能量都進(jìn)而得到節(jié)省，以備未來(lái)所需。

能量采集穩(wěn)壓器若內(nèi)建全波橋式整流器，則適合壓電或磁換能器等產(chǎn)生的AC輸入，將AC訊號(hào)整流成DC訊號(hào);若有多個(gè)換能器輸入，則將使用提供最高可用電壓(功率)的那一個(gè)。

輸入電流透過(guò)輸入電容采集，當(dāng)超過(guò)可設(shè)定ULVO門(mén)檻時(shí)，優(yōu)先順序設(shè)定器就關(guān)斷電池，由同步降壓轉(zhuǎn)換器為輸出提供所需功率;該功率透過(guò)VOUT接腳或低雜訊LDO輸出提供給負(fù)載，任何多余的功率都儲(chǔ)存在輸出電容和/或超級(jí)電容中，在此種狀態(tài)下，電池吸取的靜態(tài)電流為零。

輸入保護(hù)分流電路為電壓超過(guò)20伏特的情況提供安全保護(hù)。若無(wú)能量采集輸入電源可用，那么優(yōu)先順序設(shè)定器就自動(dòng)切換到同步升降壓轉(zhuǎn)換器，以提供所須輸出。在整個(gè)轉(zhuǎn)換期間，VOUT和VLDO都保持穩(wěn)定，從而為感測(cè)器、無(wú)線發(fā)送器和微處理器提供所需功率。

升降壓轉(zhuǎn)換器提供1.8?5.5伏特輸入電壓，適合多種鋰離子電池。無(wú)論電池電壓在高于、等于還是低于VOUT時(shí)，該升降壓轉(zhuǎn)換器都以超過(guò)90%的效率提供恒定電壓。與一般降壓型設(shè)計(jì)相比，升降壓架構(gòu)使電池執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)30%以上，當(dāng)透過(guò)電池操作時(shí)，總輸出電流取決于輸入電壓(VIN)/VOUT之比，和電池不能使用時(shí)之最終電壓，此輸出電流大約為50毫安培。

VOUT是低雜訊LDO輸出的輸入，該輸出范圍為1.2伏特，比VOUT低50毫伏特，是接腳可設(shè)定的，適用于為多種微處理器/控制器內(nèi)核供電。VOUT和VLDO都具備電源良好狀態(tài)輸出，以從總體減輕系統(tǒng)工作負(fù)擔(dān)。此外，選配式超級(jí)電容平衡器可確保儲(chǔ)存能量的最長(zhǎng)壽命。

僅作備用能源主電池壽命達(dá)兩倍

準(zhǔn)確來(lái)說(shuō)，電池壽命能夠延長(zhǎng)多少取決于環(huán)境能源的性質(zhì)、可用性以及無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)需要的總功率。

在先前所舉的HVAC例子中，若壓縮機(jī)持續(xù)運(yùn)作，整個(gè)系統(tǒng)由壓電能量采集電源供電，而電池僅用作備用電源，當(dāng)遇到停電或壓縮機(jī)檢修時(shí)才使用，那么則可無(wú)限期地延長(zhǎng)電池壽命。舉例來(lái)說(shuō)，在火車(chē)應(yīng)用中，感測(cè)器用來(lái)測(cè)量輪轂軸承溫度、貨物庫(kù)存或溫度;火車(chē)運(yùn)行時(shí)，壓電能量采集電源為系統(tǒng)供電;火車(chē)靜止時(shí)，則改由電池供電。以上方式將大幅延長(zhǎng)電池壽命，這種特點(diǎn)是軌道車(chē)輛特別需要的。

另一個(gè)例子是太陽(yáng)能環(huán)境能源應(yīng)用，透過(guò)將太陽(yáng)能電池用作能量采集電源，此系統(tǒng)白天可透過(guò)太陽(yáng)能電池運(yùn)作，同時(shí)也在輸出電容和超級(jí)電容中儲(chǔ)存多余的電能;當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)能電池輸入可用時(shí)，系統(tǒng)則首先為輸出電容和超級(jí)電容放電數(shù)小時(shí)，之后再轉(zhuǎn)換到電池。視外部條件的不同而不同，如此可能延長(zhǎng)至少兩倍之電池壽命。

至于電池壽命能延長(zhǎng)多少，答案是視情況而定，不過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間介于兩倍至無(wú)限期之間，而高度取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和I/O功率工作周期比。顯然地，只有透過(guò)用能量采集IC納入能量采集電源，并用主電池補(bǔ)充能量采集電源時(shí)，才有可能延長(zhǎng)電池壽命。在大多數(shù)情況下，這還使設(shè)計(jì)者得以使用更小、更便宜的電池。就多種無(wú)線感測(cè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用而言，增加合適的環(huán)境能源換能器和能量采集電源管理IC，可以大幅延長(zhǎng)系統(tǒng)主電池壽命。當(dāng)采集能源可用時(shí)，該IC提供高效率能源，且電池漏電流為零，可構(gòu)成非常精巧、易于實(shí)現(xiàn)的解決方案。透過(guò)上述方案，在許多應(yīng)用中都可無(wú)限期地延長(zhǎng)電池壽命，因此允許使用尺寸更小、成本更低的主電池，并有效減少電池更換費(fèi)。