互聯網通過全球計算機網絡實現用戶連接，而物聯網（IoT）通過創建相對簡單的設備，獨立于計算機或人工干預而互連和共享數據的趨勢日益增長。物聯網具有提高效率、提高安全性以及實現全新的商業模式的潛力，幾乎在生活或行業的任何方面。例如，為了可靠和高效地運行一個工廠，它有助于擁有盡可能多的監測或控制點，更多的傳感器意味著更好的監控。物聯網的設備對設備網絡簡化了分布和網絡，從而便于擴大整個工廠傳感器的數量和覆蓋范圍。
廣(guang)泛的微功(gong)耗能量(liang)收(shou)集(ji)技術
通(tong)過(guo)使用(yong)在(zai)(zai)(zai)小(xiao)型電池(chi)上運(yun)行(xing)多年的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)節(jie)點(dian)(dian)，可以消除所有布線要求，從(cong)(cong)而(er)實現傳(chuan)感器(qi)數(shu)量(liang)的(de)(de)(de)(de)指數(shu)級增長(chang)。不(bu)在(zai)(zai)(zai)需(xu)要更換或充電電池(chi)，這提供(gong)了極大的(de)(de)(de)(de)便利(li)性，越(yue)來(lai)越(yue)多的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感器(qi)利(li)用(yong)當地可用(yong)的(de)(de)(de)(de)能(neng)源(yuan)（如光、振(zhen)動或溫度梯度）從(cong)(cong)其(qi)直接環境中(zhong)獲取能(neng)量(liang)。本(ben)文分析(xi)如何(he)利(li)用(yong)無處(chu)不(bu)在(zai)(zai)(zai)的(de)(de)(de)(de)各種(zhong)環境能(neng)量(liang)，通(tong)過(guo)超低功耗的(de)(de)(de)(de)能(neng)量(liang)采集電路輕(qing)松(song)構建理論上可以永續供(gong)電的(de)(de)(de)(de)電路設計，從(cong)(cong)而(er)實現傳(chuan)感器(qi)節(jie)點(dian)(dian)的(de)(de)(de)(de)便利(li)布局和(he)低成本(ben)維(wei)護目(mu)標(biao)。
常(chang)見的環(huan)境能量采(cai)集類型和相關(guan)電源(yuan)管(guan)理IC
基于環境光能(neng)量采(cai)集的供電模式(shi)電路設計(ji)
圖1顯示了自供電無線溫度傳感器的原理框圖，溫度(du)傳感(gan)器基于受低噪聲(sheng)LT6654電壓參考偏置的熱電壓傳感器，24 位∑-Δ ADC LTC2484讀取熱電壓并通過 SPI 接口報告結果。其中的LTP5901-IPM無(wu)線(xian)電(dian)模(mo)塊可(ke)執行多(duo)項任務：自動形(xing)成(cheng)基(ji)于IP的網狀網絡，內置微處理器讀取 LTC2484 ADC SPI 端口，并管理信號鏈組件的電源測序。
圖(tu)1
無線(xian)溫度傳感器通過將無線(xian)射頻模塊連接到ADC、基準電(dian)壓和熱敏(min)電(dian)阻而形成。電(dian)路由(you)環境能量采集供電(dian)，可以(yi)轉換電(dian)池或太陽能電(dian)池板的電(dian)源。
LTC3330是一(yi)種(zhong)低功率(lv)雙開關模式電(dian)(dian)源，在(zai)光線可(ke)用(yong)時從太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)板(ban)獲得(de)電(dian)(dian)力(li)，在(zai)沒有太陽(yang)(yang)光、必(bi)要時恢復電(dian)(dian)池(chi)備份以保持輸(shu)出電(dian)(dian)壓調節(jie)。LTC3330 還包括一(yi)個(ge) LDO，用(yong)于對(dui)溫度傳感器(qi)執行循環(huan)功率(lv)。完整的解決方案，包括電(dian)(dian)池(chi)和太陽(yang)(yang)能電(dian)(dian)池(chi)板(ban)，適合在(zai)一(yi)個(ge)小塑料外殼內，尺(chi)寸(cun)小于7立方英(ying)寸(cun)，如圖(tu)2所示。
圖2
整個(ge)自(zi)成一體的(de)(de)自(zi)供電(dian)溫(wen)度(du)傳感器系統適合(he)體積小于 7 立(li)方英寸的(de)(de)外殼(ke)。包(bao)括(kuo)電(dian)池、太陽能電(dian)池板和無(wu)(wu)線網(wang)絡(luo)控(kong)(kong)制(zhi)器。無(wu)(wu)需(xu)外部(bu)電(dian)線或連接。安裝很簡單：把它放在某個(ge)地方。（a） 顯示信號鏈、電(dian)源和控(kong)(kong)制(zhi)電(dian)路以(yi)及無(wu)(wu)線網(wang)狀網(wang)絡(luo)模塊的(de)(de)板前：（b） 帶電(dian)池的(de)(de)背板;（c） 安裝太陽能電(dian)池板的(de)(de)外殼(ke)中完全解決方案。
溫差發電，為低功(gong)耗可穿(chuan)戴永續供(gong)電
溫(wen)差發電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)的(de)工作原理基于(yu)塞貝克效(xiao)(xiao)應(ying)（Seebeck effect）。塞貝克效(xiao)(xiao)應(ying)又(you)稱作第一熱電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)效(xiao)(xiao)應(ying)，是指由于(yu)兩(liang)種(zhong)(zhong)不同電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)導(dao)體或半導(dao)體的(de)溫(wen)度(du)差異而(er)引起兩(liang)種(zhong)(zhong)物質間的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓差的(de)熱電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)現象，在(zai)兩(liang)種(zhong)(zhong)金(jin)屬A和(he)B組成的(de)回(hui)路(lu)(lu)中，如果使兩(liang)個接觸點的(de)溫(wen)度(du)不同，則在(zai)回(hui)路(lu)(lu)中將出(chu)現電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流，稱為熱電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。相應(ying)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動勢稱為熱電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢，其方向取決于(yu)溫(wen)度(du)梯度(du)的(de)方向。
通常由數(shu)百(bai)個N型(xing)和(he)P型(xing)材料的(de)(de)柱體(ti)結構組(zu)成的(de)(de)熱電發生器(qi)，從電路上看它們通過串聯方(fang)式增加(jia)溫(wen)(wen)差電勢，而在(zai)(zai)傳熱方(fang)面通過并聯連接增加(jia)熱能(neng)的(de)(de)使用(yong)(yong)(yong)效率。當(dang)器(qi)件兩(liang)端存在(zai)(zai)溫(wen)(wen)差時，熱場驅動載流(liu)子運(yun)動并在(zai)(zai)回路中形成溫(wen)(wen)差電流(liu)，以此(ci)來輸出(chu)功(gong)(gong)率。利用(yong)(yong)(yong)由系統內溫(wen)(wen)度變化而產生的(de)(de)電能(neng)，能(neng)夠(gou)運(yun)作尤(you)其是(shi)低功(gong)(gong)耗(hao)(hao)電路設計的(de)(de)系統，讓一(yi)些無法使用(yong)(yong)(yong)電池，或是(shi)電力(li)線(xian)的(de)(de)低功(gong)(gong)耗(hao)(hao)應用(yong)(yong)(yong)可(ke)以實現。現在(zai)(zai)，甚(shen)至可(ke)以利用(yong)(yong)(yong)人體(ti)熱量為穿(chuan)戴設備的(de)(de)傳感器(qi)供電。
以ADI高度集成的 DC/DC 轉換器LTC3108為例，其非(fei)常適合(he)于收集和管理來自諸如TEG、熱電堆和小型太陽能電池等極低輸入電壓電源的剩余能量。一個3cm×3cm的TEG連上LTC3108，可以產生3.3伏電壓，在10度溫差時，大概就能產生60微安的電流，可以得到200微瓦的功率。如果將其用于可穿戴設備，人體的體表溫度可能有35度，即使環境溫度有25度，也能有10度的溫差，更大溫差能夠產生更大的功率，而且是可以持(chi)續不(bu)斷的為可穿戴設備(bei)供電，實現(xian)真正(zheng)的“免充電”。
基于LTC3108 TEG 能量采集電路
變廢為寶，采集(ji)振(zhen)動(dong)能量(liang)的供電(dian)模式(shi)設計(ji)
振動(dong)(dong)能(neng)量存在形式多樣，振動(dong)(dong)能(neng)量收(shou)集(ji)是一種行之有(you)效的(de)(de)(de)環境能(neng)量發電(dian)(dian)(dian)(dian)方法。根據發電(dian)(dian)(dian)(dian)原理(li)不同(tong)，振動(dong)(dong)發電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)可(ke)以(yi)分為靜電(dian)(dian)(dian)(dian)式、電(dian)(dian)(dian)(dian)磁式與壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)式。其(qi)中，壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)式振動(dong)(dong)發電(dian)(dian)(dian)(dian)機(ji)以(yi)其(qi)能(neng)量轉(zhuan)換效率(lv)高、結構簡單(dan)、無電(dian)(dian)(dian)(dian)磁干擾(rao)、易于實現整體(ti)結構的(de)(de)(de)微(wei)型(xing)化(hua)(hua)與集(ji)成(cheng)化(hua)(hua)等優點(dian)成(cheng)為國內外(wai)振動(dong)(dong)發電(dian)(dian)(dian)(dian)領域研(yan)究的(de)(de)(de)重點(dian)。壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)換能(neng)器受到振動(dong)(dong)和移動(dong)(dong)時能(neng)夠(gou)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)。因此，設備能(neng)夠(gou)將振動(dong)(dong)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)動(dong)(dong)能(neng)轉(zhuan)化(hua)(hua)為 AC 電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，AC 電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)經過調(diao)整后，向系統提(ti)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)力。例(li)如用戶按下遙(yao)控器按鈕時產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)能(neng)量可(ke)以(yi)收(shou)集(ji)起(qi)來用于發送一個低耗能(neng)的(de)(de)(de)無線(xian)電(dian)(dian)(dian)(dian)信(xin)號。同(tong)樣地(di)，當有(you)人(ren)走過時，安裝(zhuang)在地(di)磚底下的(de)(de)(de)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)換能(neng)器也(ye)能(neng)產(chan)生(sheng)(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)能(neng)，可(ke)以(yi)為小型(xing)顯示屏(ping)或緊急(ji)燈(deng)供(gong)電(dian)(dian)(dian)(dian)。
ADI電源轉換芯片LTC3588配合小體積的換能器可以在0.25g的振動加速(su)度和40Hz的(de)頻率(lv)上產生200多微安的電流。產品通過集成一個(ge)(ge)低(di)損失全波橋(qiao)式整流器(qi)和一個(ge)(ge)高效率降(jiang)壓型(xing)轉(zhuan)換器(qi)，以(yi)造(zao)就一款專為高輸出阻抗(kang)能(neng)源(yuan) (例如：壓電換能器) 而優化的完整能量收集解決方案。這電流看起來很小，但對于很多微弱電流的監控系統來講，這個電流已基本足夠用，可以實現設備的終身免維護和無人值守。
