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创新微弱能量采集技术，化解物联网为能量“斗米折腰”的尴尬

时间：2018-06-11 11:33来源：21Dianyuan

摘要：ADI公司展示智能能量采集和低功耗信号链新型在线故障监测终端给出了一个典型应用案例，从解决芯片自身低功耗的问题，大幅提高转换效率，提供了如何借助环境条件收集微弱能量并真正在生活或工业环境中排上更广泛用场的范例。

可以说对能量的采集是生命的本能，对太阳能的自然利用才有了生命形式的存在。从人类早期的钻木取火，到电气革命早期阶段通过奔腾的水流发电，以及今天更普遍的风电和太阳能发电，人类的自然能源的利用一直没有停止。然而，这远远还不能满足我们的需求，特别是当今物联网的泛在连接时代，更多便利的自然能源到电的转换已经成为大量科技应用的必选题。
 
随着物联网的飞速发展，越来越多的应用会用到能量采集技术、能源管理系统和可充电电池，以便能够在整个产品生命周期中持续使用。在最近的一场行业展会中，看到很多公司都在投入去开发能量收集芯片，产生了很多创新技术，其中ADI公司展示智能能量采集和低功耗信号链新型在线故障监测终端给出了一个典型应用案例，从解决芯片自身低功耗的问题，大幅提高转换效率，提供了如何借助环境条件收集微弱能量并真正在生活或工业环境中排上更广泛用场的范例。

 
集成ADI智能能量采集和低功耗信号链的新型在线故障监测终端。
 
化解为能量“斗米折腰”的尴尬
在大量的物联网应用对能源的需求其实非常低，一节纽扣电池甚至就可以工作几个月甚至几年，然而这种非可持续供电的能源终究会带来很多问题，除了废旧电池带来的环境危害，在很多应用场景来说更换电池可能面临昂贵的维护成本：例如森林防火监测、桥梁监测、化工厂的罐体监测，甚至像高压电力线这样一个电能输送通道中我们一样需要讨论设备供电问题。很多时候，需要采用能量采集技术来化解为能量“斗米”折腰的尴尬。

 
能量采集还广泛应用于室内和户外多种应用场景。
 
从成本、尺寸以及安装等角度考虑，通常这类能量采集都是微弱能量。如何管理与应用微能量？必须积少成多地把它们收集并管理起来，这也涉及到能量存储及减小漏电流的问题，需要有能连续存储并极低漏电流的存储器件，只有漏电流远远小于收集的能量，这些采集来的能量才有可能会被用到；一旦这些采集到的能量集中管理起来后，可以被用来驱动一些短暂或脉冲型的负载；对于那些连续工作的负载就牵扯到另一个问题，低功耗和超低功耗器件，只有这些超低功耗的器件的工作损耗与采集的能量及这些能量的管理达到平衡，微能量采集才能真正被广泛应用。
 
另外被采集的能量都很微弱，能量收集的门槛必须很低。能量的存储也是很关键的，目前大家采用的比较多的是可充电电池或超级电容，怎样提高电池的充电次数、延长电池的寿命以及减小超级电容的漏电都是要解决的关键问题。但一直以来似乎并没有得到真正的广泛应用，最大原因可能是不能深入理解能量采集系统是一个综合性的系统，需要结合各种因素才能设计出真正产品化的东西，目前看到的很多芯片或解决方案只能部分地实现能量采集功能，而没有把真正产品设计的因素考虑完善。
 
从ADI故障监测终端看能量采集应用
如前面所述，能量采集应用关键的是需要解决能量采集端的转换高效率、应用端的低功耗，这里不妨以ADI本次展示中的故障监测终端来看典型的能量采集应用系统。在配电网自动化应用中的故障指示器，该设备被安装在架空线上，可以在线路发生故障时快速准确定位故障区域、并远传故障信息，大大缩短了故障查找时间，为快速排除故障、恢复正常供电，提供了有力保障。在线路正常运行时，通过该装置可以实时监测配电网的运行工况，优化配电网的运行方式，合理控制用电负荷，改善供电质量。
 
由于该设备是一次性的被安装在架空线上，既没有供电电源，又不能随时更换任何内部器件，在加上快速启动、大电流保护及无线通讯的要求，所以其能量采集及电源管理的设计非常讲究。
 
• 采用单片芯片即可实现高效能量采集和多电源管理，同时集成的稳压器输出可降低BOM成本并简化PCB设计。
• 针对CT特性优化的最大功率点跟踪(MPPT)，即使在CT一次侧电流很小的情况下，其功率转换效率还可超过90%。
• 低功耗运算放大器具有宽动态范围和高压摆率，通过罗氏线圈轻松实现电流测量，以减少磁场对电流测量精度的影响。
• APM Cortex M3处理器提供高性能的同时，超低功耗保证了低能耗的需求，而且丰富的数字外设和ADC子系统还同时配备硬件安全和加密功能增强系统安全性和可靠性。

 
新型在线故障监测终端硬件功能图
 
该方案用到ADI能量采集解决方案芯片ADP5091/92，这是一款既考虑了自身极低的功耗（nA级）、极低的能量采集启动门槛（380mV冷启动，80mV~3.3V能量输入）、最大功率点跟踪、多电源控制（3个电源输入和2个电源输出）、价格合理和设计简便的能量采集芯片，专门用于能量采集的电源管理芯片，可以用于多种能量源的采集，像太阳能、电磁能（电流互感器）、温差热能、压电、静电电荷等。广泛用于可穿戴设备、智能传感器、物联网应用等。
 
高度集成的解决方案对于紧凑型布局极其有利，可减少设计复杂性，且业界领先的超低功耗性能可完整覆盖从ADC转换到处理器处理和无线通信的整个系统信号链。ADP5091大大地简化了原有的方案，并在能量采集效率、电源管理、成本控制上都有了明显的优化。

 
能量采集解决方案芯片ADP5091/92的典型应用电路图。
 
能量采集应用的软硬件设计要点
现场ADI专家给出了能量采集应用的几点建议：
 
在硬件设计中，首先需要考虑选择超低功耗的器件保证整体静态功耗相对较低，储能器件要选择漏电电流小的，其次是取能电路的拓扑结构和效率，尽可能让取能电路工作在最大功率点上或区间内、最大效率利用好储能器件。
 
在软件上要关注能量使用的频度和协议的选择，大部分的能量采集系统会使用短距离无线收发，选择合适的无线传输协议是工程师要重点考虑的因素，同时要精确计算收发频度及次数、每次收发消耗的能量、平均耗能等因素。
 
最后，要综合所有因素从系统层面考虑，合理安排能量分配、多电源管理、系统启动时间、安全保护、故障处理等因素。
 
本文总结：
随着物联网（IoT）的概念越来越被大家接受，智能传感器的发展也走入快车道，能量采集在中国市场的发展势头应该是比较好。有利因素包括了物联网发展、工业2025、节能环保等国家层面的驱动与投资，而新技术、新器件的推广，众多大型企业的研发投入也是有利的因素。但同时也会存在一些不利因素，像标准的不完善、对新型取能技术包括拓扑的研发不够系统和深入、能量采集的芯片品种不够多等；另外跟能量采集应用相关性比较大的无线短距离通讯，其通讯协议很多种，不够统一，储能器件的种类和容量与最终应用要求有一些差距，这些也是影响市场发展的不利因素。
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