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【投稿】傳感器無源化趨勢下的胎壓監測能量采集解決方案研究
發布時間:2019-10-30 閱讀量:14113 應用領域:其他 來源:我愛方案網 作者:ADI

隨著物聯網以及各種智能終端應用的廣泛普及,傳感器的應用呈現爆發之勢。然而傳感器節點的供電問題卻成為系統設計中必須考慮、繞不過去的坎,隨著半導體技術的進步、環保理念的增強以及節約維護成本的壓力,傳感器無源化成為大勢所趨。所謂無源化指的是不需要外部電源或者電池供電,依靠傳感器關聯電路自身獲取自然或環境中能量使傳感器正常工作,即采用能量采集解決方案。


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近幾年來針對環境能量的收集技術的研究越來越受到重視,多種形式的能量收集方式被提出,多種高效的能量收集結構被設計出來。集成電路技術在能量收集電路中的應用,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出來。本文以胎壓監測應用為例,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用——胎壓監測


隨著工藝技術的不斷提升,胎壓傳感器的集成度越來越高,需要的外圍電路越來越簡單,大大地降低了胎壓傳感器的功耗,為通過環境能量采集進行供電提供了可能。傳統的胎壓監測系統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,不僅更換起來極為麻煩,而且廢舊的電池會對環境造成污染。胎壓傳感器的無源化可以從根本上解決傳統解決方案的供電問題。

    

能量收集方式主要根據傳感器的工作環境和工況決定,胎壓傳感器在劇烈運動的工況下工作,并處在一種高溫、高壓的環境中,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能量,能量收集裝置的振動部件受到疲勞壽命等因素的影響,其可靠性不高,實用性不強。熱電式能量收集方式收集的是溫差能量,不存在任何的移動部件,結構簡單可靠,不需要維護,而且只需要提供足夠的熱源就輸出電能,相對于其他形式的收集方式具有很大的優勢。


溫差發電器件原理基于塞貝克效應,可以直接將溫差能量轉化為電能。而汽車輪胎在行駛過程中可以產生顯著的溫差,以室外平均溫度25 ℃、平均時速30 km/h為例,實驗證明隨著汽車行駛時間的增加,輪胎內外的溫差不斷升高并在50 分鐘后超過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。

 

如何實現胎壓監測無源供電?基于LTC3108的溫差發電能量管理


環境能量采集通常面臨電量微弱的特點,隨著近年來模擬半導體技術的進步越來越多的能量采集解決方案實現了高效率的電源管理。ADI推出的電源管理芯片LTC3108即可以實現對微弱能量的管理和利用。電路輸入端采用了一個小型的升壓變壓器,利用一個耗盡型N通道MOSFET開關來形成一個諧振升壓振蕩器,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。


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應用于胎壓傳感器的溫差能量收集方式,通過分析熱電器件的輸出特性設計了一款能量收集溫差能量的電路,該電路可以通過積累和釋放的方式收集電能,實現了在低至100 mV的電壓下收集能量,并成功地驅動胎壓傳感器的工作。隨著技術的發展,未來還會有更高ZTM的熱電材料得到應用,利用溫差能量收集電能來為TPMS供電具備巨大的應用潛力。

 

總結:能量采集的現狀與未來


能量采集早已不是什么新鮮話題,這項技術歷史悠久,但是隨著人類的所需也在不斷發展,當今龐大的人口與其帶來的電力能源消耗,越來越多的應用會用到能量采集技術、能源管理系統和可充電電池,所以新能量采集技術的大幕才剛剛揭開,其市場前景也是相當廣闊,據相關研究機構調研和預測:2015年,全球能量采集系統市場規模2.68億美金,預計在2016年——2020年,年均增長率在70%以上,到2020年,其市場規模,將達到40億美金。



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上圖是常見的能量采集技術和應用。對于像本文所述的胎壓監測、RFID標簽、助聽器等的能量采集并不是像常見的很大的太陽能板,吸收陽光之后產生大量電力,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毫瓦。微功率能力采集有四種來源,第一個是大家比較常見的太陽能,可是一般傳感器的尺寸不可能放一個很大的太陽能板,只能使用小小的太陽能板,并且要能吸收室內燈光。第二種是溫差發電,這個比較常在煉鋼廠中看到,因為煉鋼廠的溫度很高、變化很大,所以適合使用溫差發電。第三種是壓電,是利用震動時的韻律感產生電壓。最后一種是利用磁場發電,最常見的就是馬達,利用馬達運轉中產生的磁場發電。

 

在能量采集技術上,ADI走在了業界前列,其LTC3108/LTC3109以及ADP5091/92在全球有非常廣泛的應用。作為應用特別便利、對環境條件要求低的溫差發電技術,據悉ADI還在考慮如何改進溫差發電轉化技術,雖然已有的能量采集IC能實現把20毫伏的微弱電壓升到3.3伏已經是非常大的挑戰了,但ADI的美國團隊仍在思考如何把換能器功率進一步提高,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后續真的能夠推出這樣的產品,那么無疑將會獲得全球可穿戴設備市場很大的份額。

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