在大多數(shù)場(chǎng)合中,，利用主要電池來運(yùn)行對(duì)于此類系統(tǒng)而言是不現(xiàn)實(shí)的,。在這些應(yīng)用中，能量收集" title="能量收集">能量收集技術(shù)能夠在不采用主要電池的情況下解決供電問題,。單靠能量收集常常無法產(chǎn)生連續(xù)運(yùn)行傳感器-發(fā)送器" title="發(fā)送器">發(fā)送器所需的足夠功率——能量收集可產(chǎn)生約 1mW~10mW 的功率，而有源傳感器-發(fā)送器組合的功率需求則有可能達(dá)到 100mW~250mW,。

能量收集系統(tǒng)

LTC3588-1 包含一個(gè)具非常低泄漏的橋式整流器,，其輸入位于 PZ1 和 PZ2，而輸出則位于 VIN 和 GND,。VIN 同時(shí)還是具有非常低靜態(tài)電流的降壓型穩(wěn)壓器" title="降壓型穩(wěn)壓器">降壓型穩(wěn)壓器的輸入電源,。降壓型穩(wěn)壓器的輸出電壓由 D1 和 D0 設(shè)定為 3.3V,。

圖 1：基于壓電元件的完整能量收集系統(tǒng)不受電網(wǎng)的限制

圖 1 示出了一款完整的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，此方案采用了一個(gè) LTC3588-1 能量收集器和降壓型穩(wěn)壓器 IC,、兩個(gè) LTC4071 并聯(lián)電池充電" title="電池充電">電池充電器,、兩個(gè)GM BATTERY GMB301009 8mAh電池以及一個(gè)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器 (被模擬為一個(gè)具 1% 占空比" title="占空比">占空比的 12.4mA 負(fù)載)。 該設(shè)計(jì)采用薄膜電池來積聚壓電元件所收集的能量,，并提供給一個(gè)以 1%占空比運(yùn)作的無線傳感器發(fā)送器,。

LTC4071 是一款具可編程浮置電壓和溫度補(bǔ)償功能的并聯(lián)電池充電器。浮置電壓設(shè)定為 4.1V,，其容差為 ±1%,，因而產(chǎn)生了一個(gè) 4.14V 的最大值 —— 安全地低于電池容許的最大浮置電壓。

LTC3588 由一個(gè) Advanced Cerametrics Incorporated PFCB-W14 壓電式傳感器來驅(qū)動(dòng),，它能夠產(chǎn)生 12mW 的最大功率,。在我們的實(shí)現(xiàn)方案中，PFCB-W14 提供了大約 2mW 的功率,。另外,，LTC4071 還能通過 NTC 信號(hào)檢測(cè)電池的溫度，并在電池溫度很高的情況下降低浮置電壓以最大限度地延長(zhǎng)電池的工作壽命,。

    LTC4071 能夠在內(nèi)部提供 50mA 的并聯(lián)電流,。然而，當(dāng)電池低于浮置電壓時(shí),，LTC4071 將僅從電池吸收約 600nA 的電流,。GM BATTERY GMB301009電池具有 8mAh 的容量和 10Ω 左右的內(nèi)部串聯(lián)電阻。

    仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的建模采用了 Microchip PIC18LF14K22 和 MRF24J40MA 2.4GHz IEEE 802.15.4 射頻收發(fā)器模塊,。該射頻芯片在發(fā)送和接收模式中的吸收電流分別為 23mA 和 18mA,。此模型將之表示為一個(gè) 12.4mA、0.98% 占空比 (2ms/204ms) 負(fù)載,，并利用一個(gè)自計(jì)時(shí)數(shù)字定時(shí)器和一個(gè)負(fù)責(zé) 267Ω 電阻器開關(guān)切換的 MOSFET 來設(shè)定,。

充電-發(fā)送 (Charging-Sending)
    運(yùn)行中的傳感器-發(fā)送器在大約 1% 的時(shí)間里吸取 12.4mA × 3.3V ≈ 41mW 的功率 (即 0.41mW 左右的平均功率)，因而留出了一些電流用于給電池充電,?？紤]到 LTC3588 降壓型穩(wěn)壓器的效率為 85%，當(dāng)平均 VIN 為 9.2V (見圖 2),、降壓型穩(wěn)壓器靜態(tài)電流為 8μA 時(shí),，在未對(duì)電池充電情況下系統(tǒng)所消耗的平均電流為：

當(dāng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，PFCB-W14 輸送的平均功率約為 9.2V × 180µA ≈ 1.7mW,?？捎玫碾娏鞅仨殞?duì)電池進(jìn)行充電并負(fù)責(zé)運(yùn)作用于驅(qū)動(dòng)仿真?zhèn)鞲衅?發(fā)送器的降壓型穩(wěn)壓器。

收集的能量能夠以 0.5% 的占空比驅(qū)動(dòng)傳感器-發(fā)送器，而留出約 120μA 的電流供電池充電之用,。GMB301009 電池的容量為 8mAh,，因此它們可在 75 小時(shí)左右的時(shí)間里充滿電。

操作模式
    該系統(tǒng)具有兩種操作模式：充電-發(fā)送和放電-發(fā)送,。在充電-發(fā)送模式中,，電池被充電而傳感器-發(fā)送器提供一個(gè) 0.5% 占空比負(fù)載。在放電時(shí),，傳感器-發(fā)送器處于運(yùn)作狀態(tài),，但此時(shí)并沒有從 PFCB-W14 收集能量。

放電-發(fā)送 (Discharging-Sending)
    當(dāng) PFCB-W14 未輸送功率時(shí),，VIN 上的電壓下降至大約：

是,，反射負(fù)載電流計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流較高，這是因?yàn)樗仨毟宇l繁地開關(guān)以從 7.5V 與 9.2V 進(jìn)行調(diào)節(jié),。在 78µA 靜態(tài)電流條件下,，如果沒有收集能量，則電池的放電時(shí)間大約為 115 小時(shí),。這表明電池的電荷存儲(chǔ)容量 >8.95mAh,。這些電池在全新時(shí)所存儲(chǔ)的電荷可比額定值高出 12%。

    需要一個(gè)斷接電路,，以確保電池在一段合理的時(shí)間里不至于發(fā)生放電,。LTC4071 提供了一個(gè)內(nèi)部低電池電量斷接電路。經(jīng)測(cè)量,，在室溫條件下,，該斷接電路在啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生 <2nA 的電池負(fù)載。這一漏電流通常受 PCB 漏電流的支配,。當(dāng)電池漏電流僅為 2nA 時(shí),，在其受損之前，電池可在斷接狀態(tài)中工作 50,000 小時(shí),。

    僅僅停止發(fā)送器的運(yùn)作或?qū)⒇?fù)載斷接將無法起到保護(hù)電池的作用,，因?yàn)?LTC4071 吸收約 600nA 的靜態(tài)電流。雖然這一靜態(tài)電流非常之低,，但包括 LTC3588-1 在內(nèi)的總負(fù)載則接近 2µA,。一個(gè)完全放電的電池在其電壓下降至足以損壞電池之前將只能提供約 100µA 的電流。

測(cè)量結(jié)果
     圖 1 所示的系統(tǒng)在“放電-發(fā)送”(圖 3) 和“充電-發(fā)送”(圖 4) 這兩種操作模式中均進(jìn)行了測(cè)量,。

充電-發(fā)送
    當(dāng) PFCB-W14 再次開始向系統(tǒng)輸送功率時(shí),，VIN 將上升至 7V，從而給 LTC4071 中斷接 FET 的體二極管施加正向偏置,。這將對(duì)電池充電,，直至達(dá)到重接門限為止,，進(jìn)而允許重新連接電池 BAT1 和 BAT2。觀察圖 4 可以發(fā)現(xiàn),，這將表現(xiàn)為 VIN 上的電壓迅速下降至電池組電壓。由于 VIN 上的電壓現(xiàn)為 VBAT1 + VBAT2 + (180µA x 15k) = 6.2V,，因此 LTC3588 上的降壓型穩(wěn)壓器將重新起動(dòng),，并可再次提供 3.3V 電壓。

放電-發(fā)送

    在圖 3 中,，我們給出了當(dāng)由電池來提供所有系統(tǒng)能量時(shí) (PFCB-W14 壓電式傳感器未提供任何能量) 兩個(gè)電池 BAT1,、BAT2 的電壓以及 VBUCK 隨時(shí)間變化的情況。

    BAT1上的負(fù)載是 LTC4071 和 LTC3588 的 2µA 靜態(tài)電流,。這個(gè)小負(fù)載使 BAT1 緩慢地放電,，直到 LTC4071 的低電池電量斷接功能電路啟動(dòng)為止，BAT1 隨即被斷接,。

    電池緩慢放電直到 BAT2 觸發(fā) LTC4071 的 LBO 門限為止,，隨后斷接電路啟動(dòng)并使 BAT2 與所有的電路 (U5 除外) 斷接。這將導(dǎo)致 LTC3588 的 VIN 引腳電壓降至穩(wěn)壓器的 UVLO 以下,，而穩(wěn)壓器將關(guān)斷,。

結(jié)論

在此特殊的系統(tǒng)中，由一個(gè)壓電式傳感器提供間歇式電源,，而兩個(gè)電池則負(fù)責(zé)存儲(chǔ)能量以供傳感器-發(fā)送器之用,。在 PFCB-W15 停止供電之后，電池將允許系統(tǒng)以 0.5% 的占空比持續(xù)運(yùn)作傳感器-發(fā)送器達(dá) 115 小時(shí),。如果需要較長(zhǎng)的電池工作時(shí)間,，則可降低傳感器-發(fā)送器占空比以滿足這一要求。一個(gè)集成型斷接開關(guān)用于保護(hù)電池免遭過度放電的損壞,。該系統(tǒng)能夠在 75 小時(shí)內(nèi)完成電池的滿充電,，即使以 0.5% 的占空比運(yùn)作傳感器-發(fā)送器的情況下也不例外。