光伏電池在能量收集中的應(yīng)用

　　超低功率解決方案可用于眾多的無線系統(tǒng)，包括交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測、工業(yè)檢測、樓宇自動化和貴重物品追蹤。此類系統(tǒng)通常在其服役生涯的大部分時間里都處于待機(jī)睡眠模式，僅需極低的μW級功率。當(dāng)被喚醒時，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機(jī)械偏轉(zhuǎn)等參數(shù)并以無線的方式把這些數(shù)據(jù)傳送至一個遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。整個測量、處理和傳送時間通常只有幾十ms，但在此短暫期間內(nèi)有可能需要幾百mW的功率。由于這些應(yīng)用的占空比很低，因此必須收集的平均功率也會相對較低。電源可能就是一節(jié)電池而已。然而，電池將不得不以某種方式進(jìn)行再充電，最終還得更換。在許多此類應(yīng)用中，實(shí)際更換電池的成本之高使其缺乏可行性。這使得環(huán)境能量源成為了一種更具吸引力的替代方案。

　　新興的毫微功率無線傳感器應(yīng)用

　　就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光控開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。除了可以免除首先進(jìn)行線路安裝(或在無線應(yīng)用中定期更換電池)的需要之外，這種替代方法還能減低有線系統(tǒng)往往存在的例行維護(hù)成本。

　　類似地，運(yùn)用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁淮苯ㄖ�物�?nèi)任何數(shù)目的傳感器鏈接到一起，以通過在建筑物內(nèi)無人居住時關(guān)斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)以及照明成本。

　　典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點(diǎn)由4個模塊組成(見圖1)。它們是：1、一個環(huán)境能量源，比如：太陽能電池;2、一個用于給節(jié)點(diǎn)的其余部分供電的功率轉(zhuǎn)換組件;3、一個將節(jié)點(diǎn)鏈接到現(xiàn)實(shí)世界的感測組件以及一個計(jì)算組件(由微處理器或微控制器組成，負(fù)責(zé)處理測量數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)存貯到存儲器中);4、一個由短程無線單元組成的通信組件，用于實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無線通信。

　　環(huán)境能量源的實(shí)例包括連接到某個發(fā)熱源(例如：HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆，抑或是連接至某個機(jī)械振動源(如：窗玻璃)及太陽能電池的壓電換能器。在存在發(fā)熱源的情況下，緊湊的熱電器件(常被稱為“換能器”)能夠?qū)⒑苄〉臏夭钷D(zhuǎn)換為電能。而當(dāng)存在機(jī)械振動或應(yīng)變時，則壓電器件能夠用來把很小的振動或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。最后，在存在光源的場合中，光伏電池在峰值日照條件下每平方厘米的面積能產(chǎn)生50W以上的電功率，而在室內(nèi)照明條件下則可產(chǎn)生高達(dá)100μW的電功率。

　　一旦電能產(chǎn)生出來，就可以由一個能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，用于給下游電子組件供電。因此，一個微處理器可以喚醒一個傳感器，以獲取讀數(shù)或測量值，然后讀數(shù)或測量值可利用一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器加以處理，以通過一個超低功率無線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

[$page]　　該鏈路中的每個電路模塊迄今都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應(yīng)用。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有一段時間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實(shí)現(xiàn)與微控制器的集成(以提供非常低功率的無線連接)。不過，該鏈路中所欠缺的一直是能量收集IC。

　　現(xiàn)有的能量收集器/管理器模塊實(shí)現(xiàn)方案往往采用性能相對較低的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括30個