我們的周圍到處都是能量，它們以熱、光、電流甚至機電能的形式存在。不過，人們常常發現，這些能源提供的能量太少了，無法為任何實際用途連續提供充足的功率。實際上，直到不久前，除了太陽能和地熱能，一直無法從其他形式的能源中獲得充足的能量來執行任何有用的功能。

能量採集是從一種或多種這類自然存在的能源採集微量能量，然後再把採集到的能量累積或儲存起來以備之後使用的過程。能量採集設備可以高效獲得、累積、儲存、調節和管理環境能量，而且所用調節方式適合將這類能量用於執行有用的功能。

最近的技術進步已經提高了設備從自然環境中獲得微量能量並將其轉換成電能的效率。此外，轉換器技術的進步不僅提高了電源轉換效率，還降低了轉換器的內部功耗需求，這些進步已經激發起工程界的興趣，促使他們開發更多利用能量採集技術的應用。

從部署的遠端應用且從根本上不可能耗盡的自然環境中採集能量（自然能源），日益成為一種引人注意以替代有線電源或電池的供電方式。自然能源從本質上來說是免費能源，如果得到妥善的利用，不僅無需維護，且通常可在很多應用的工作壽命中保持可用。

另外，能量採集可以用作輔助能源以補充如電池等主電源，這大幅延長了電池壽命，從而降低維護費用。

能量採集應用

現在有很多應用將能量採集電源作為主電源使用。例如，無線感測器網路（WSN）常常受益於能量採集電源。如果一個無線節點部署在偏遠地點，有線電源或電池或者不夠可靠或者不可用，那麼就可透過採集的能量提供節點運行所需功率。在其他一些情況下，多種能源可用來提高設定系統的整體效率和可靠性。

一些較常見的可採集能量，包括

1. 機械能：來自振動、機械壓力和應變力；

2. 熱能：爐子、加熱器、馬達和摩擦運動等浪費的能量；

3. 透過光電二極體或太陽能電池從太陽光或室內照明中獲得的光能；

4. 來自電感器、線圈和變壓器的電磁能；

5. 來自風、水流、洋流、電流和太陽等自然環境中的能量；

6. 透過運動等產生機械能和熱能的人體能量，以及來自化學和生物源的其他能量。

值得一提的是，所有這些能源幾乎都不受限制，且本質上是免費的，只要在系統部署位置或靠近系統部署位置能夠獲得就行。

典型的能量採集系統需要諸如振動、熱量或光等能源以及一些關鍵電子元件，包括能量轉換設備（換能器），例如壓電元件或太陽能電池板，可將環境能源轉換成電能；能量採集轉換IC以獲得、儲存和管理電能；感測器、微控制器和收發器，作為WSN的組成部分以讀取、記錄和傳送資料；可選的補充性能量存放裝置，例如薄膜型主電池或超級電容器。

圖1 : 電源轉換設備需要有很高的效率和很低的靜態電流，如此大部分採集的能量才能用於給感測器網路或控制電路供電，或者用來監視設備。

很重要的一點是，電源轉換設備需要有很高的效率和很低的靜態電流，如此大部分採集的能量才能用於給感測器網路或控制電路供電，或者用來監視設備。此外，必須瞭解可採集能源能夠提供多大的平均功率，以及為特定設備供電需要多少能量（工作週期）。

能量採集 IC 解決方案

對於能量採集元件的採用，必須考慮採用高度整合、超低電壓升降壓DC╱DC轉換器，同時還具備為多種輸入能源和低功率系統而優化的自動電源通路（PowerPath）管理功能。如果主電源不可用，那麼此轉換器必須無縫式地切換到備份電源，且與可再充電電池或主電池相容，無論何時，只要有剩餘能量可用，就可以為備份電池涓流充電。如果使用的輸入能源是光源，那麼可選最大功率點控制功能確保在電源和負載之間的功率傳送是優化。

目前電源通路（PowerPath）控制架構是較好的選擇，此一架構允許使用單個電感器，通過在兩個電源輸入之間無縫轉換，產生用戶可選和固定的穩定輸出電壓。如果輸入電源（VIN）可用，升降壓穩壓器就用VIN工作，向負載提供高達300mA的電流。如果VIN不可用，那麼穩壓器就選擇將VSTORE╱VCAP作為其輸入，向負載提供高達50mA的電流。

如果用可再充電電池作為備份電源，那麼還提供小電流再充電電源通路，從而允許在輸出電壓處於穩定狀態時，用多餘的輸入能量為備份電源充電。用戶可選的較高和較低充電╱放電門檻適用於多種電池化學組成，可針對過度充電╱深度放電保護電池。當主電池用作備份電源時，充電可以從外部用PRI禁止在沒有備份電源時，主輸入電壓VIN可配置為在850mV至5.1V電壓範圍內工作，有備份電源時（例如主電池）則配置為在330mV至5.1V範圍內工作。這個範圍適合多種類型電源，包括高阻抗電源（例如小型太陽能電池板）。為了確保獲得最大功率，能量採集元件最好能整合準確的RUN接腳和可選最大功率點函數，二者均可用來控制穩壓器導通點，使其位於輸入電源的最大功率點上。對於較高功率的輸入電源而言，準確的RUN接腳函數非常適合用來將可預測的穩壓器導通點設定到特定輸入電壓上。

萬一由可採集能量提供的輸入電壓消失了，那麼主電池或輔助電池可從VSTORE連接至GND，以給系統供電。在電池是可再充電的情況下，將從這個接腳獲得為電池涓流充電的電流，直至達到最高可選電壓。

設計實例

在僅由電池供電的傳統型無線網路節點中，主控制單元（MCU）直接連接到電池。在這類應用中，有幾種因素導致電池容量減小，一般而言，這類無線系統以非常低的頻率輪詢節點，待用週期功率非常低，偶爾需要與該節點通訊時會有一些大電流突發。有脈衝負載時，峰值電流可能遠遠大於電池製造商給出的標稱漏電流，從而使電池容量減小到超出在典型靜態漏電流情況下所規定的值，此外，就大多數MCU（典型最小值為 2V）而言，可用輸入電壓限制了可用電池容量。

結論

圖2 : 即使有些能量採集電源僅提供很低的可用功率 (如名片大小的太陽能電池)，但是他們足以給大多數無線感測器供電。

即使有些能量採集電源僅提供很低的可用功率（如本文所示名片大小的太陽能電池設計實例），但是他們足以給大多數無線感測器供電。LTC3106升降壓DC╱DC轉換器為低功率系統中常見的多種輸入電源而優化，為多種能量採集應用提供必要的功能。因此，諸如WSN 等能量採集系統設計者現在有了實用和恰當的電源轉換IC，便可大幅簡化設計任務。

（本文作者為凌力爾特電源產品部高級產品市場工程師）