通过能量收集延长 IoT 传感器节点的电池续航时间

元件

为了能够从远程位置捕获数据，专为物联网 (IoT) 而开发的传感器节点需要实现尽可能长的电池续航时间。理想的情况是，完全不需要使用电池，因为使用电池会使系统管理变得复杂很多，需要向交通不方便的地方运送电池，进而产生高昂的运输费用；

相反，系统应从自身环境收集能量——通过光伏元件、射频能量、压力以及热能、空气流动或流体运动进行收集。例如，流量表理论上可从其测量的介质收集能量，从而实现能量自给。壁装式传感器可从照射到其表面的光收集能量。

实际上，电子传感器系统的能效很低，不能够完全依赖环境能量收集。但是，通过尽可能利用环境能量，可以延长电池续航时间——虽然这样做会使系统设计变得复杂。

关键问题是，电能很难收集，因为它要么在电压很低时出现，要么在电压很高时出现，且两种情况都存在相位难题。因此，需要有专门技术来处理输入，包括提供能够处理低压高阻抗电源的升压转换器，很多能量收集模块都向系统提供这种电源。此外，升压转换器等电路可能会产生高频噪声，干扰无线电通信。系统应能应对这些情况。

进一步的要求是，应能支持最大功率点跟踪 (MPPT) 功能，对于光伏发生器和热电发生器而言尤其如此。每个光伏模块都有其电流-电压 (IV) 特性曲线，该曲线不仅取决于入射光，还取决于温度。该曲线确定可实现最大程度能量收集的电压。偏离该电压可能会减少收集到的电流，继而导致收集到的能量减少。

图 1：光伏收集器的 IV 曲线。

温度也会影响模块的峰值输出能效。高温会导致模块的输出电压下降。因此，即使在阳光强烈时，即光伏电池板的能效应该最高的时段，如果电子电路未能补偿随之发生的电压下降，光伏电池板的转换效率仍可能下降。借助 MPPT，电源转换电子器件可跟踪环境情况变化，并确保始终选择最适当的电压。幸运的是，随着照明变化发生的最大功率点偏移通常相对较小，因此，MPPT 控制电路只需要分析 IV 曲线中相对较小的一部分。

压电收集器呈现出不同但类似的特性：开路电压大约与短路电流成反比。压电元件可串联或并联放置，以获得收集能量所需的电压范围。通常，当压电收集器的工作电压为开路电压的一半左右时，压电收集器会产生最大功率。

图 2：压电收集器的 IV 曲线。

在系统方面要考虑的另一个问题是，如何高效地管理已收集能量，确保电池不会意外过度充电，且能量收集和储存过程消耗的能量不应超过可储存的能量。将电池和超级电容器结合使用通常能够有效避免用不可靠的电源充电。

虽然从理论上讲，这种组合比充电电池更容易控制，但超级电容器的电压很低，这意就味着这些电容器通常串联，以获得兼容大多数系统电子器件的电压。超级电容器串联时，分布到整个超级电容器组的电压最初是电容的函数。但是，如果超级电容器组的电压在一段时间内保持不变，则电压分布会由于漏电电流而发生偏移，变成内部并联电阻的函数。

一项可减少漏电造成电压位移的设计技术是，将电阻器和每个超级电容器并联。但是，这样会增加能量损耗，而这并不符合能量收集设计的初衷。对此，有源超级电容器平衡是更为行之有效的技术。Linear Technology 的 LTC3331 也采用了这项技术；该器件是专为解决将电池和已收集能量结合使用所存在的问题而设计的众多器件之一，这些器件的出现，减少了系统设计人员实施分立解决方案的需要。

图 3：LTC3331 的典型应用，图中右侧显示了超级电容器平衡器连接。

LTC3331 中的有源超级电容器平衡器需要与使用 BAL 引脚的两个器件配合使用来实现其功能。 LTC3331 中的控制器会主动实现高达 10 mA 的拉出和灌入电流，将 BAL 引脚的电压调节为该器件输出电压的一半。该平衡器的功耗为 150 nA。如果不需要平衡功能，或者该功能在实际应用中耗用过多能量，则可将其禁用；这样，通过将 BAL 引脚和 SCAP（当处于活动状态时，它通常与 Vout 连接）同时接地，即可将静态电流降至零。

LTC3331 等器件的设计核心是升压或升降压 DC/DC 转换器，这些转换器可与典型的能量收集器配合使用。这种转换器与用于控制的电子器件连接，这些控制器件决定升压转换器何时进入活动状态。控制器还可执行 MPPT 计算。以 LTC3331 为例，该器件使用压电能源或光伏能源，适用于无线系统。无线系统的平均功耗很低，但当数据需要转发到集线器或网关时，其电量需求会突增。在这种情况下，会从超级电容器吸取能量，甚至还可能从电池吸取能量，具体取决于自上次通信以来收集了多少能量。

在 LTC3331 中，当存在可收集能量时，这些能量会通过桥式整流器传输到输入电容器并在那里聚积。 LTC3331 带有一个在低静态电流下工作的欠压锁定电路，使得电容器电压可升至设定的阈值。电容器电压一旦超过该阈值，降压转换器即会启动，将能量传输到输出轨。如果输入电容器的电压降至下降阈值以下（通常设置为不同于上升阈值，以避免不必要的振荡），降压转换器会关闭，升降压转换器启动以实现电池供电；在这种情况下，仍可继续将能量收集到超级电容器中。

Analog Devices 生产的 ADP5090 带有适用于低压热电能源和太阳能的升压转换器，其工作电压低至 380 mV。该器件配有一个用于连接备用电池或超级电容器的接口，且支持 MPPT。

图 4：ADP5090 应用示意图，左侧为用于 MPPT 设置存储 (CBP) 的电容器连接。

MPPT 控制能力借助外部电容器得以保持；应在出现低漏电的情况下选择使用外部电容器，因为控制电路大约每隔 19 秒对收集器输入进行一次采样。如果电容器电压下降，MPPT 控制器的效率会降低。对此，10 nF X7R 或 C0G 低漏电陶瓷可提供适当水平的性能。为了支持很低的收集电压，ADP5090 采用了充电泵，以使升压转换器能够在很低的输入电压下启动。附加电路会检查电压是否过低，以致运行升压转换器在收集可用能量时，实际上会开始耗用电池电量。

对于无线应用（这种应用的特点是，射频电子器件可能对噪声非常敏感，尤其是以低功耗工作时），在有外部软件或硬件控制的情况下，可临时禁用升压开关转换器——只需拉高 DIS_SW 引脚即可。

Texas Instruments.生产的 bq25504 也是不错的选择。该器件能够在能量收集器提供的 330 mV 输入电压下冷启动，运行时可支持低至 80 mV 的电压。这可为以 330 nA 静态电流运行的升压转换器提供所需的电力。虽然 bq25504 不能直接控制备用电池，但它可根据用户可编程的欠压和过压状态监视最大和最小电压，以防存储元件受损。为便于能量管理，该器件采用“电池良好”标志控制，当储能电池或电容器的电压降至低于预设的临界水平时，会向所连接的微处理器发出警报信号。这会使得负载电流削减，以防系统进入欠压状态。

LTC3331、ADP5090 和 bq25504 等解决方案通过结合使用电池和已收集能量，能够更容易地实现具有很长电池续航时间的 IoT 传感器节点。