受无线传感器网络及物联网普及带动 能量采集应用开始火爆
在ADI公司总裁兼首席执行官Vincent Roche最新发表的新年产业趋势展望《这些创新将影响我们2018年的生活》中，他将传感器的应用普及作为五大热点趋势之一--无线传感器网络无处不在正在成为可能，通过无线mesh网络在物联网和工业应用中部署，无需大量重新布线即可在现有系统中添加传感功能。有意思的是，无线传感器的普及也正在带动了另外一个应用走强--能量采集在中国及全球市场发展势头火热。
“其他有利因素包括物联网的发展、工业2025、节能环保等国家层面的驱动与投资，而新技术、新器件的推广以及众多大型企业的研发投入也是有利的因素。”对能量采集应用走强的原因，ADI公司工业与能源事业部亚太市场经理张松刚补充道。除了无线传感器网络以及物联网应用，能量采集还广泛用于消费电子设备中，比如便携式设备和可穿戴设备。
在这个细分领域中，如何将收集到的能量真正派上用场其实有极高的门槛--既需要满足芯片自身极低功耗的要求，还要考虑大幅提高转换效率，以及如何管理与应用微能量。“主要挑战包括多种电源技术的集成，像超低漏电流和超低功耗设计，低电压低电流启动、充放电管理、大电流泄放、多电源协调工作，等等。”张松刚指出，“特别是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。
“微弱能量采集一直以来并没有得到真正的广泛应用，最大的原因可能是大家不能深入理解能量采集是一个综合性系统，需要结合各种因素才能产品化。” 张松刚认为，“幸运的是，过去数年内电子产品的更新换代和能耗都有了进步，很多电源管理集成电路均针对能量采集应用而专门设计，因此5到10年前不可行的很多应用现在都得以实现且经济实惠。”据张松刚指出，当前的很多系统支持更小的采集器或者实现数年前无法设计出来的能量采集解决方案，很多系统设计人员的能量采集应用想法正在实施中，不久之后相信就能见证他们的实现并获得极大的环境和经济意义。
ADI非常看好能量采集应用的市场需求，在该领域拥有丰富的技术经验和应用案例，目前主要的能量采集解决方案是芯片级高度集成的ADP5091/92。“作为业界领先的一款专门用于能量采集的电源管理芯片，ADP5091/92已经广泛应用与多种能量源的采集，像太阳能、电磁能（电流互感器）、温差热能、压电、静电电荷等。”张松刚表示。
不同应用场景能量采集通常有以下来源，最常见的是光伏、热电、电磁、压电和RF。光伏和热电采集器产生直流电压，而电磁、压电和RF采集器产生交变电压或交流电压，这便使得电源转换技术的要求稍有不同。ADP5091/ ADP5092智能集成式能量采集电源管理解决方案充分满足了这些应用的需求，既考虑了自身极低的功耗（nA级）、极低的能量采集启动门槛、最大功率点跟踪，以及多电源控制、价格合理和设计简便性。
ADP5091/ ADP5092智能集成式能量采集电源管理解决方案
通过ADP5091/ ADP5092收集到的能量可对储能元件（如可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容和传统电容）进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电，可以采集能量从16uW到600 mW范围的高效转换，利用内部冷启动电路，调节器可在低至380 mV的输入电压下启动。冷启动后，调节器便可在80 mV至3.3 V的输入电压范围内正常工作。额外的150mA调节输出可通过外部电阻分压器或VID引脚编程。而可重复充电的电池种类有锂电池/磷酸锂铁电池/超级电容等，这些电池电压从3.2V到5V，而ADP5091/ ADP5092的充电截止电压为2.2V到5.2V，完全可以满足目前市场上常用的电池种类及应用。
“过去很多时候常出现的尴尬是，设计人员的工作和精力花费在评估能量采集解决方案上，最后却发现所采集的能量不足以为特定系统供电。”张松刚指出。对此，他认为能量采集应用工程师需要重点考虑几个方面：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，主要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。
在配电网自动化应用中的故障指示器中大量采用了ADP5091/ ADP5092。
上图中给出一种在配电网自动化应用的故障指示器应用实例。该设备被安装在架空线上，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并合理控制用电负荷，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。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。ADI提供的ADP5091/ ADP5092设计方案，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。
能量采集还广泛应用于室内和户外多种应用场景。
基于ADP5091/ ADP5092的能量采集demo实验测试表明，在室内日常照明光源下可以让太阳能板输出两伏左右的电压，同时对磷酸锂铁电池也有2到3个mA的电流来充电，可以直接对MCU或者是传感器等IC供电。基于此，可以找出大量相关的应用，像室内的触碰式调光照明遥控器、灯具或空气质量侦测器(PM2.5/有毒气体)等，室外应用如地震传感器或是边坡倾斜侦测器等应用中，发射端和接收端就可以使用ADP5091/ ADP5092能源采集IC，降低应用成本并能做到再生能源的绿色利用。