物联网可以从无线充电及能量收集中充分获益

背景信息

物联网指的是一种日益显著的趋势，即不仅将人和电脑、而且将所有东西连接到互联网，因此人、电脑和所有东西也就实现了互联。例如，如果要部署工厂或大型基础设施应用，那么尽可能多地连接位于不同地点的传感器 (或传动器)，就可以提高效率、增强安全性并实现全新业务模式。

传统上，各种不同类型的传感器靠导线连接到电源。然而，如今面对的问题不再是围绕场地设施布设电缆的挑战和费用，因为现在可以安装可靠、工业强度的无线传感器，这些传感器可以靠一块小型电池甚至可从光、振动或温度变化中收集的能量工作很多年。另外，也可以通过组合可再充电电池与多种环境能源来供电。同时，由于内在的安全问题，有些可再充电电池不能以有线方式充电，而需要通过无线功率传送方式充电。

引言

最新和现成有售的能量收集 (EH) 产品 (例如振动能量收集和室内光伏电池) 在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这样的功率级也许看似用处有限，但是能量收集组件在若干年内连续运行可能意味着，无论就所提供的总能量还是就每能量单位的成本而言，能量收集产品与长寿命主电池大致上都是可比的。此外，采用能量收集技术的系统一般能够在电量耗尽之后再充电，而由主电池供电的系统就不可能做到这一点。

不过，大多数解决方案会将环境能源作为主电源，将电池作为补充，如果环境能源消失或中断提供，就可以将电池转接进来。这种电池可以是、也可以不是可再充电的，是否用可再充电电池，通常由最终应用本身决定。所以，所遵循的原则是，如果最终部署环境易于进入，方便不可再充电电池的更换，维护人员能够以经济实惠的方式更换不可再充电电池，那么使用不可再充电电池就有经济意义。如果更换电池耗时费力、成本高昂，那么采用可再充电电池就更有经济意义。

即使选择了可再充电电池，给电池充电的最佳方法仍然需要探讨。如下一些因素会影响这一决定：

1)是否存在有线电源给电池充电

2)环境能源是否提供充足的功率，足够同时给无线传感器网络 (WSN) 供电以及给电池充电

3)是否由于内在安全要求以及由于部署存在危险性，而需要通过无线功率传送来给电池充电

适用的能量收集和无线充电解决方案

对于这类富有挑战性的系统之设计师而言，好消息是，已经有一些电源 IC 具备必要的功能和性能特性，能够通过能量收集，为可穿戴技术应用提供量级如此之低的功率。为此，凌力尔特公司不久前推出了两款器件 LTC3331 和 LTC4120。

LTC3331 是一款能量收集器件，可以延长电池寿命，如图 1 所示。

图 1：LTC3331 能量收集器和电池寿命延长器

LTC3331 是一款完整的能量收集调节解决方案，提供高达 50mA 的连续输出电流，当可收集能源可用时，用来延长电池寿命。该器件用收集的能量向负载提供稳定功率时，不需要电池提供电源电流，在无负载情况下靠电池供电时，仅需要 950nA 工作电流。LTC3331 集成了一个高压能量收集电源，还有一个靠可再充电电池供电的同步降压-升压型 DC/DC 转换器，以向能量收集应用提供单一不间断输出，例如无线传感器网络中的能量收集应用。

LTC3331 的能量收集电源由一个提供 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器组成，从压电 (AC)、太阳能 (DC) 或磁性 (AC) 能源收集能量。10mA 分路电流允许用收集的能量简便地给电池充电，同时低电池电量断接功能保护电池免于深度放电。可再充电电池给同步降压-升压型转换器供电，该转换器的输入工作电压范围为 1.8V 至 5.5V，当收集能源不可用时，无论输入高于、低于或等于输出，都可用来调节输出。LTC3331 的电池充电器具备一种非常重要的电源管理功能，使用微型功率电源时，这一功能不可忽视。LTC3331 提供对电池充电器的逻辑控制功能，以便仅当能量收集电源有富余的能量时，才给电池充电。如果没有这一逻辑控制功能，能量收集电源会在启动时卡在某个非最佳工作点上，而不能在启动中给设定的应用供电。当收集能源不再可用时，LTC3331 自动转换到电池。这又增加了一个好处：如果适用的能量收集电源至少在一半时间内可用，那么电池供电无线传感器网络的工作寿命可延长 10 年至超过 20 年，如果可收集能源更加广泛可用的话，寿命甚至可以进一步延长。该器件还集成了一个超级电容器平衡器，以提高输出存储容量。

不久前针对这类应用推出的第二款 IC LTC4120，这是一款无线功率接收器和电池充电器。该器件集成了 PowerbyProxi (凌力尔特公司的技术合作伙伴) 的专利技术。PowerbyProxi 已获专利的动态协调控制 (Dynamic Harmonization Control，简称 DHC) 技术实现了高效率非接触式充电，而且在接收器中不会产生热量或电气负担过重问题。采用这种技术，可以通过长达 1.2cm 的距离传送高达 2W 功率。然而，对单节锂离子电池而言，最高充电电压为 4.2V，最大充电电流为 400mA，这将使 DHC 技术的传送功率限制到 1.7W。类似地，2W 最大功率将两节锂离子电池 (8.4V 最高充电电压) 的充电电流限制到 240mA。

功率、效率、距离和尺寸的大小决定了系统性能，因此，基于 LTC4120 的无线电源系统设计为，当使用几种可选发送器的其中一款时，通过长达 1.2cm 的距离在电池端接收高达 2W 的功率。视所采用方法和组件的不同而不同，效率计算结果会有很大变化。在基于 LTC4120 的系统中，一般情况下，电池会接收 45% 至 55% 馈送到发送器的 DC 输入功率。

LTC4120 中嵌入的 PowerbyProxi 专利 DHC 调谐技术与其他无线电源解决方案相比有一些显著优势。为了响应环境和负载变化，DHC 动态改变接收器上谐振储能电路的谐振频率。DHC 在允许更长传送距离的同时，实现了更高的功率传送效率，从而使接收器尺寸能够更小。与其他无线功率传送技术不同，DHC 允许内在功率管理成为感应电场的组成部分，从而在电池充电周期中，无需用单独的通信通道验证接收器或管理负载需求变化。

显然，DHC 解决了所有无线电源系统的基本问题。所有系统都必须设计为，通过给定最长传送距离接收一定量的功率。所有系统也都必须设计为，在最短传送距离时能够承受无负载情况而不被损坏。其他同类解决方案用复杂的数字通信系统解决这一问题，这増加了复杂性和成本，限制了功率传送距离。基于 LTC4120 的无线电源系统用 PowerbyProxi DHC 技术简便地解决了这一问题。

图 2：LTC4120 应用原理图说明了一个完整的无线电池充电电路

结论

即使采用能量收集系统的工业 WSN 应用需要大小不同的功率以实现正确运作，范围可从微瓦到大于 1W，但幸运的是，已有一些电源转换 IC 可供系统设计师选择。

LTC3331 能量收集器和电池寿命延长器与 LTC4120 无线功率传送电池充电器为多种低至中功率应用提供了必要的功能，为物联网相关产品的爆炸性增长提供了动力。