無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如果要實(shí)現(xiàn)其在現(xiàn)場的目標(biāo)，則需要特別注意電源管理。將能量收集技術(shù)集成到您的設(shè)計中可以大大有助于解決問題。

功率吝嗇的傳感器，微控制器和RF收發(fā)器的可訪問性和性能的提高正在提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛力，這些網(wǎng)絡(luò)由能量收集技術(shù)獨(dú)家供電或補(bǔ)充。超低功耗無線協(xié)議開始獲得廣泛的行業(yè)認(rèn)可，標(biāo)準(zhǔn)正在積極開發(fā)中。傳感器網(wǎng)絡(luò)不受電源或電池電源的影響，可以提高可靠性，降低維護(hù)成本，提高安全性和廣泛部署。

僅在幾年前無法想象的應(yīng)用現(xiàn)在可以通過能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)。新推出的電源管理產(chǎn)品可將各種能量收集傳感器（熱電發(fā)電機(jī)，光伏，壓電，電磁）的不便，間歇且通常微不足道的輸出轉(zhuǎn)換為現(xiàn)代電子設(shè)備的可用電源。使用這些電源管理器件進(jìn)行指定，分析和設(shè)計的新方法對于充分利用各自能量傳感器元件和最終由它們供電的傳感器網(wǎng)絡(luò)電子器件的能力是必要的。

無線傳感器并不是新的，通過使用能量收集技術(shù)半自動或完全自主，需要正確選擇和設(shè)計能量傳感器和電源管理設(shè)備。典型的無線遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)如圖1所示。到目前為止，該系統(tǒng)中缺失的鏈路一直是電源管理解決方案。可用于提供功率的換能器通常非常不方便 - 產(chǎn)生非常低的電壓，低阻抗輸出或非常高的電壓，高阻抗輸出。該系統(tǒng)中的各種元件可以進(jìn)一步細(xì)分為電力生產(chǎn)商/監(jiān)管機(jī)構(gòu)（換能器和電力管理）和電力用戶（其他所有）。如果能量收集平均輸出功率能力超過遠(yuǎn)程傳感器電子設(shè)備所需的平均功率，則可以使用自治系統(tǒng)。

圖1：典型的無線傳感器系統(tǒng)。 br》在開始任何設(shè)計之前，進(jìn)行快速可行性分析是值得的。這將很快確定能量收集技術(shù)是否切實(shí)可行。第一步是確定需要進(jìn)行和傳輸測量的頻率。我們稱之為測量頻率（F）。接下來，我們可以確定傳感器需要多少處理能力，信號調(diào)理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和生成所需數(shù)據(jù)的處理，以及傳輸此數(shù)據(jù)所需的RF收發(fā)器功率和時間。

表1顯示了典型值流行的微控制器和RF鏈路系統(tǒng)的功率要求。電源要求因制造商和特定應(yīng)用而異。有許多選擇可以根據(jù)最終應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)化。由此，我們可以計算出系統(tǒng)占空比和平均功率。系統(tǒng)的占空比（D）定義為：（測量時間（Tm）+處理時間（Tp）+發(fā)送時間（Tt））×測量頻率（F）。平均功率（Pa）只是總功率（P）x D +待機(jī)功率，通常小到可以忽略。

處理電流/睡眠電流處理器功率3 mA/500 nA RF鏈路20-30 mA，持續(xù)1-10 ms

表1：微控制器和RF鏈路的典型功率要求

能量收集源典型功率范圍K Solar（室內(nèi)）/戶外）單電池10μW-40 mW/cm2 0.6-0.8振動（壓電）4μW-100μW/cm2 0.8-0.9熱（TEG）25μW-10 mW/cm2 0.3-0.5

表2：典型能源及其功率能力

例如，我們假設(shè)我們的任務(wù)是設(shè)計一個自動室內(nèi)溫度傳感器。該傳感器將部署在整個大型辦公樓中，并與接近傳感器配合使用，可以檢測房間何時被占用并相應(yīng)地調(diào)節(jié)溫度。在大型建筑物內(nèi)部署這種類型的傳感器可以顯著降低年度供暖和制冷成本。傳感器在3.3 V下需要500μA，持續(xù)2 ms，以測量溫度并檢測乘員。低功耗微控制器需要再對該數(shù)據(jù)進(jìn)行5 ms的操作。處理數(shù)據(jù)時，微控制器在3.3 V時消耗3 mA電流。最后，RF鏈路需要30 mA，3.3 V，30 ms才能傳輸數(shù)據(jù)。所需的測量頻率為0.2 Hz（每五秒一次測量）。

Pa或平均功率，是告訴我們什么類型的能量采集傳感器的關(guān)鍵術(shù)語，如果有的話，將適合這個系統(tǒng)。表2列出了一些典型的能量傳感器及其能夠提供的典型平均功率。標(biāo)記為（K）的列是功率轉(zhuǎn)換常數(shù)，其考慮了將換能器能量轉(zhuǎn)換為可用電壓所需的功率管理塊的類型（在這種情況下為3.3V）。完美的功率轉(zhuǎn)換器具有K = 1。 K將隨所用換能器的類型而變化。一般而言，K與換能器的輸出電壓成比例。由于非常低的輸出電壓傳感器（如TEG）需要極高的升壓比和相應(yīng)的高輸入電流，因此K往往低于非常高的輸出電壓傳感器，如壓電元件。在前面的例子中，我們可以看到所需的平均功率（Pa）接近合理尺寸的壓電傳感器的上限范圍，但是在TEG和光伏（PV）傳感器或太陽能電池的能力范圍內(nèi)。系統(tǒng)環(huán)境通常會決定選擇何種類型的傳感器。在我們的示例中，我們不能依賴于始終可用的光源，因此PV傳感器不實(shí)用。我們處于壓電傳感器可行的最高端，因此我們決定使用TEG。當(dāng)暴露于溫差時，TEG利用塞貝克效應(yīng)在其輸出端子上產(chǎn)生電壓（見圖2）。

圖2：典型的TEG。

圖3：測量和發(fā)送周期期間的典型電流脈沖。

圖4：測量和發(fā)送周期期間的VOUT紋波。為了進(jìn)一步舉例，我們假設(shè)a選擇50mm 2 TEG。 TEG的一側(cè)將安裝在天花板上的HVAC管道中，另一側(cè)暴露在室溫空氣中。由于TEG具有非常低的熱阻，因此在它們之間形成合適的ΔT通常具有挑戰(zhàn)性，因此室溫側(cè)將采用散熱器。我們的測量表明，暖通空調(diào)管道表面在冬季（加熱）平均為38°C，夏季平均為12°C（冷卻），平均室溫環(huán)境溫度為25°C。通過仔細(xì)測量，我們確定當(dāng)安裝到帶有散熱器的管道時，TEG上的ΔT為?+/- 10°C。從制造商的數(shù)據(jù)手冊中我們可以看出，10°C dT的TEG VOUT為180 mV。 TEG輸出電阻（ROUT）為2.5Ω。當(dāng)TEG ROUT =功率轉(zhuǎn)換器（或負(fù)載）RIN時，負(fù)載可用的最大功率發(fā)生。

如果我們假設(shè)我們的電源管理電路的RIN接近2.5Ω，那么功率轉(zhuǎn)換器輸入可用的最大功率是180mV 2 /（2.5ωx4）= 3.24mW。我們的功率轉(zhuǎn)換器常數(shù)（K）為0.4，因此3.3 V輸出的遠(yuǎn)程傳感器可用的總功率為3.24 mW x 0.4 = 1.3 mW。由于1.3 mW比先前計算的818μW的Pa高，我們可以產(chǎn)生足夠的功率來運(yùn)行。

將TEG的極低輸出電壓轉(zhuǎn)換為所需的3.3 V的電源管理電路是下一個挑戰(zhàn)。更復(fù)雜的是輸入電壓（TEG輸出）可以是正或負(fù)180mV，這取決于管道表面是熱還是冷。盡管可以開發(fā)分立電路來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，但通常很難獲得滿足系統(tǒng)要求的可制造性，小尺寸和可靠性的解決方案。此外，電路設(shè)計對雜散電容非常敏感，整個電路需要微功率才能達(dá)到額定K系數(shù)。幸運(yùn)的是，目前存在集成解決方案。使用LTC3109的示例電路如圖5所示.LTC3109可以在低至+/- 30 mV的輸入下工作，并將產(chǎn)生四種預(yù)編程輸出電壓（VOUT）中的任何一種：（2.35，3.3，4.1或5 V） ）。提供可切換的VOUT，僅在必要時為傳感器供電。 LTC3109還包括一個電源管理器，可用于存儲和利用過剩的能量。由于我們的典型負(fù)載功率小于可用能量，因此可以存儲任何多余的能量以供以后在CSTORE上使用。

圖5：LTC3109電源管理電路。圖3和圖4顯示了測量/發(fā)送周期之前，期間和之后LTC3109的3.3 V輸出。 VOUT上的電容基于一個測量/發(fā)送周期的可接受電壓下降來確定大小。在我們的例子中，我們已經(jīng)確定3.3 V輸出可以接受300 mV的電壓下降。使用先前獲得的值，我們可以計算所需的COUT：

其中：Iload = 3.3 V輸出上所有負(fù)載的總和Iavg = LTC3109的平均輸出電流dT =負(fù)載脈沖的持續(xù)時間dV =可接受的電壓下垂

圖4中的實(shí)際下降遠(yuǎn)小于300 mV 。這是因為測量的簡單系統(tǒng)的電流發(fā)射脈沖持續(xù)時間較短，輸出電容較高。圖6顯示了能量采集傳感器輸入暫時中斷期間的3.3 V輸出。在這種情況下，LTC3109采用存儲電容CSTORE工作。對CSTORE的值沒有限制，因此可以根據(jù)需要的系統(tǒng)保持時間調(diào)整大小。

圖6：輸入源中斷期間的操作。

上面概述的基本設(shè)計過程適用于其他類型的能量收集傳感器。與壓電元件（高壓AC），電磁（線圈/磁鐵）和光伏（太陽能電池）連接的電源管理電路現(xiàn)在都很容易獲得。在所有情況下，有必要首先確定自主操作是否可行所需的平均負(fù)載功率。