隨著物聯(lián)網(wǎng)以及各種智能終端應(yīng)用的廣泛普及，傳感器的應(yīng)用呈現(xiàn)爆發(fā)之勢(shì)。然而傳感器節(jié)點(diǎn)的供電問(wèn)題卻成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮、繞不過(guò)去的坎，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步、環(huán)保理念的增強(qiáng)以及節(jié)約維護(hù)成本的壓力，傳感器無(wú)源化成為大勢(shì)所趨。所謂無(wú)源化指的是不需要外部電源或者電池供電，依靠傳感器關(guān)聯(lián)電路自身獲取自然或環(huán)境中能量使傳感器正常工作，即采用能量采集解決方案。

近幾年來(lái)針對(duì)環(huán)境能量的收集技術(shù)的研究越來(lái)越受到重視，多種形式的能量收集方式被提出，多種高效的能量收集結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)出來(lái)。集成電路技術(shù)在能量收集電路中的應(yīng)用，使得能量管理電路的功耗更低，效率更高，多種電能管理芯片被開發(fā)出來(lái)。本文以胎壓監(jiān)測(cè)應(yīng)用為例，分析傳感器供電的能量采集解決方案。

典型的能量采集供電應(yīng)用——胎壓監(jiān)測(cè)

隨著工藝技術(shù)的不斷提升，胎壓傳感器的集成度越來(lái)越高，需要的外圍電路越來(lái)越簡(jiǎn)單，大大地降低了胎壓傳感器的功耗，為通過(guò)環(huán)境能量采集進(jìn)行供電提供了可能。傳統(tǒng)的胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍使用紐扣電池作為胎壓傳感器的能量源，在電源耗盡之前需要更換電池，不僅更換起來(lái)極為麻煩，而且廢舊的電池會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。胎壓傳感器的無(wú)源化可以從根本上解決傳統(tǒng)解決方案的供電問(wèn)題。

能量收集方式主要根據(jù)傳感器的工作環(huán)境和工況決定，胎壓傳感器在劇烈運(yùn)動(dòng)的工況下工作，并處在一種高溫、高壓的環(huán)境中，適合的收集方式有熱電式、壓電式和電磁式。壓電式和電磁式都是收集汽車輪胎上的振動(dòng)能量，能量收集裝置的振動(dòng)部件受到疲勞壽命等因素的影響，其可靠性不高，實(shí)用性不強(qiáng)。熱電式能量收集方式收集的是溫差能量，不存在任何的移動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，不需要維護(hù)，而且只需要提供足夠的熱源就輸出電能，相對(duì)于其他形式的收集方式具有很大的優(yōu)勢(shì)。

溫差發(fā)電器件原理基于塞貝克效應(yīng)，可以直接將溫差能量轉(zhuǎn)化為電能。而汽車輪胎在行駛過(guò)程中可以產(chǎn)生顯著的溫差，以室外平均溫度25 ℃、平均時(shí)速30 km/h為例，實(shí)驗(yàn)證明隨著汽車行駛時(shí)間的增加，輪胎內(nèi)外的溫差不斷升高并在50 分鐘后超過(guò)10 ℃，行駛的輪胎可以為熱電器件提供較高的熱流，并提供電能輸出。

如何實(shí)現(xiàn)胎壓監(jiān)測(cè)無(wú)源供電？基于LTC3108的溫差發(fā)電能量管理

環(huán)境能量采集通常面臨電量微弱的特點(diǎn)，隨著近年來(lái)模擬半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步越來(lái)越多的能量采集解決方案實(shí)現(xiàn)了高效率的電源管理。ADI推出的電源管理芯片LTC3108即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱能量的管理和利用。電路輸入端采用了一個(gè)小型的升壓變壓器，利用一個(gè)耗盡型N通道MOSFET開關(guān)來(lái)形成一個(gè)諧振升壓振蕩器，可以將最低20 mV的電壓升高，并提供給其他電路使用。下圖為基于LTC3108的典型熱電管理電路。

應(yīng)用于胎壓傳感器的溫差能量收集方式，通過(guò)分析熱電器件的輸出特性設(shè)計(jì)了一款能量收集溫差能量的電路，該電路可以通過(guò)積累和釋放的方式收集電能，實(shí)現(xiàn)了在低至100 mV的電壓下收集能量，并成功地驅(qū)動(dòng)胎壓傳感器的工作。隨著技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)還會(huì)有更高ZTM的熱電材料得到應(yīng)用，利用溫差能量收集電能來(lái)為TPMS供電具備巨大的應(yīng)用潛力。

總結(jié)：能量采集的現(xiàn)狀與未來(lái)

能量采集早已不是什么新鮮話題，這項(xiàng)技術(shù)歷史悠久，但是隨著人類的所需也在不斷發(fā)展，當(dāng)今龐大的人口與其帶來(lái)的電力能源消耗，越來(lái)越多的應(yīng)用會(huì)用到能量采集技術(shù)、能源管理系統(tǒng)和可充電電池，所以新能量采集技術(shù)的大幕才剛剛揭開，其市場(chǎng)前景也是相當(dāng)廣闊，據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)調(diào)研和預(yù)測(cè)：2015年，全球能量采集系統(tǒng)市場(chǎng)規(guī)模2.68億美金，預(yù)計(jì)在2016年——2020年，年均增長(zhǎng)率在70%以上，到2020年，其市場(chǎng)規(guī)模，將達(dá)到40億美金。

上圖是常見的能量采集技術(shù)和應(yīng)用。對(duì)于像本文所述的胎壓監(jiān)測(cè)、RFID標(biāo)簽、助聽器等的能量采集并不是像常見的很大的太陽(yáng)能板，吸收陽(yáng)光之后產(chǎn)生大量電力，我們這里提到的能量采集是微功率能量采集，能量介于1瓦以下，大部分情況是幾百個(gè)毫瓦。微功率能力采集有四種來(lái)源，第一個(gè)是大家比較常見的太陽(yáng)能，可是一般傳感器的尺寸不可能放一個(gè)很大的太陽(yáng)能板，只能使用小小的太陽(yáng)能板，并且要能吸收室內(nèi)燈光。第二種是溫差發(fā)電，這個(gè)比較常在煉鋼廠中看到，因?yàn)闊掍搹S的溫度很高、變化很大，所以適合使用溫差發(fā)電。第三種是壓電，是利用震動(dòng)時(shí)的韻律感產(chǎn)生電壓。最后一種是利用磁場(chǎng)發(fā)電，最常見的就是馬達(dá)，利用馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)電。

在能量采集技術(shù)上，ADI走在了業(yè)界前列，其LTC3108/LTC3109以及ADP5091/92在全球有非常廣泛的應(yīng)用。作為應(yīng)用特別便利、對(duì)環(huán)境條件要求低的溫差發(fā)電技術(shù)，據(jù)悉ADI還在考慮如何改進(jìn)溫差發(fā)電轉(zhuǎn)化技術(shù)，雖然已有的能量采集IC能實(shí)現(xiàn)把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏已經(jīng)是非常大的挑戰(zhàn)了，但ADI的美國(guó)團(tuán)隊(duì)仍在思考如何把換能器功率進(jìn)一步提高，從200微瓦提高到400微瓦，并且體積只有目前的1/10。顯然，如果ADI后續(xù)真的能夠推出這樣的產(chǎn)品，那么無(wú)疑將會(huì)獲得全球可穿戴設(shè)備市場(chǎng)很大的份額。