物联网传感器供电的N种模式探讨
作者 | 物联网智库2021-11-27

互联网通过全球计算机网络实现用户连接,而物联网(IoT)通过创建相对简单的设备,独立于计算机或人工干预而互连和共享数据的趋势日益增长。物联网具有提高效率、提高安全性以及实现全新的商业模式的潜力,几乎在生活或行业的任何方面。例如,为了可靠和高效地运行一个工厂,它有助于拥有尽可能多的监测或控制点,更多的传感器意味着更好的监控。物联网的设备对设备网络简化了分布和网络,从而便于扩大整个工厂传感器的数量和覆盖范围。

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广泛的微功耗能量收集技术

通过使用在小型电池上运行多年的传感器节点,可以消除所有布线要求,从而实现传感器数量的指数级增长。不在需要更换或充电电池,这提供了极大的便利性,越来越多的传感器利用当地可用的能源(如光、振动或温度梯度)从其直接环境中获取能量。本文分析如何利用无处不在的各种环境能量,通过超低功耗的能量采集电路轻松构建理论上可以永续供电的电路设计,从而实现传感器节点的便利布局和低成本维护目标。

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常见的环境能量采集类型和相关电源管理IC

基于环境光能量采集的供电模式电路设计

1显示了自供电无线温度传感器的原理框图,温度传感器基于受低噪声LT6654电压参考偏置的热电压传感器,24 位∑-Δ ADC LTC2484读取热电压并通过 SPI 接口报告结果。其中的LTP5901-IPM无线电模块可执行多项任务:自动形成基于IP的网状网络,内置微处理器读取 LTC2484 ADC SPI 端口,并管理信号链组件的电源测序。

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无线温度传感器通过将无线射频模块连接到ADC、基准电压和热敏电阻而形成。电路由环境能量采集供电,可以转换电池或太阳能电池板的电源。

LTC3330是一种低功率双开关模式电源,在光线可用时从太阳能电池板获得电力,在没有太阳光、必要时恢复电池备份以保持输出电压调节。LTC3330 还包括一个 LDO,用于对温度传感器执行循环功率。完整的解决方案,包括电池和太阳能电池板,适合在一个小塑料外壳内,尺寸小于7立方英寸,如图2所示。

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整个自成一体的自供电温度传感器系统适合体积小于 7 立方英寸的外壳。包括电池、太阳能电池板和无线网络控制器。无需外部电线或连接。安装很简单:把它放在某个地方。(a) 显示信号链、电源和控制电路以及无线网状网络模块的板前:(b) 带电池的背板;(c) 安装太阳能电池板的外壳中完全解决方案。

温差发电,为低功耗可穿戴永续供电

温差发电的工作原理基于塞贝克效应(Seebeck effect)。塞贝克效应又称作第一热电效应,是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象,在两种金属A和B组成的回路中,如果使两个接触点的温度不同,则在回路中将出现电流,称为热电流。相应的电动势称为热电势,其方向取决于温度梯度的方向。

通常由数百个N型和P型材料的柱体结构组成的热电发生器,从电路上看它们通过串联方式增加温差电势,而在传热方面通过并联连接增加热能的使用效率。当器件两端存在温差时,热场驱动载流子运动并在回路中形成温差电流,以此来输出功率。利用由系统内温度变化而产生的电能,能够运作尤其是低功耗电路设计的系统,让一些无法使用电池,或是电力线的低功耗应用可以实现。现在,甚至可以利用人体热量为穿戴设备的传感器供电。

以ADI高度集成的 DC/DC 转换器LTC3108为例,其非常适合于收集和管理来自诸如TEG、热电堆和小型太阳能电池等极低输入电压电源的剩余能量。一个3cm×3cm的TEG连上LTC3108,可以产生3.3伏电压,在10度温差时,大概就能产生60微安的电流,可以得到200微瓦的功率。如果将其用于可穿戴设备,人体的体表温度可能有35度,即使环境温度有25度,也能有10度的温差,更大温差能够产生更大的功率,而且是可以持续不断的为可穿戴设备供电,实现真正的“免充电”。

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基于LTC3108 TEG 能量采集电路

变废为宝,采集振动能量的供电模式设计

振动能量存在形式多样,振动能量收集是一种行之有效的环境能量发电方法。根据发电原理不同,振动发电机可以分为静电式、电磁式与压电式。其中,压电式振动发电机以其能量转换效率高、结构简单、无电磁干扰、易于实现整体结构的微型化与集成化等优点成为国内外振动发电领域研究的重点。压电换能器受到振动和移动时能够产生电能。因此,设备能够将振动产生的动能转化为 AC 电压,AC 电压经过调整后,向系统提供电力。例如用户按下遥控器按钮时产生的能量可以收集起来用于发送一个低耗能的无线电信号。同样地,当有人走过时,安装在地砖底下的压电换能器也能产生电能,可以为小型显示屏或紧急灯供电。

ADI电源转换芯片LTC3588配合小体积的换能器可以在0.25g的振动加速度和40Hz的频率上产生200多微安的电流。产品通过集成一个低损失全波桥式整流器和一个高效率降压型转换器,以造就一款专为高输出阻抗能源 (例如:压电换能器) 而优化的完整能量收集解决方案。这电流看起来很小,但对于很多微弱电流的监控系统来讲,这个电流已基本足够用,可以实现设备的终身免维护和无人值守。

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