数据显示，2019年全球物联网设备数量已达到107亿台，到2025年物联网连接数将达到251亿台。随着全球物联网呈现快速增长态势，传感器也迎来巨大发展空间。作为物联网最底层的组成部分，传感器是数据采集的入口，被誉为物联网的“心脏”。然而，在物联网爆发与不断推进下传统传感器的诸多制约因素也愈发凸显，尤其是供电方式的问题。

目前，全球约有1-2亿个传感器节点，主要用电池实现供电，而人工换电池的维护费用巨大。当设备安装在偏远位置时，更加大了维护电源的难度。因此，如何给庞大数量的传感器供电是一个巨大的挑战。相反，如果传感器利用光、振动或温度等环境能源通过能量收集技术获取能量，供电问题则能够得到有效的解决。本文以ADI电源管理IC为例，围绕几种常见的环境能量收集类型，探讨适合物联网传感器几种供电模式。

捕获高能量太阳光，追踪不同照度最大功率是关键

使用光伏技术作为使用室能量产生的手段是常见的，因为在太阳光具有高能量含量。ADI公司推出的ADP5091/92是一款面向光伏(PV)电池能量采集应用的管理解决方案，可转换来自光伏电池或热电发生器(TEG)的直流电源。该器件可对储能元件进行充电，并对小型电子设备和无电池系统上电。

ADP5091主要用于直流输入从80mV到3.3V。直流输入可重复充电的电池种类可以是鋰电池/磷酸鋰铁电池/超级电容等，这些电池电压从3.2V到5V都有，ADP5091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。其额定结温范围为−40°C至+125°C，能够很好地适应各种恶劣的户外天气环境。

以太阳能板为能源输入的ADP5091系统架构

上图为以太阳能板或者风力机为能源输入到ADP5091系统架构，因为太阳能在不同照度下会有各自的最大功率点，因此ADP5091内部将最大功率点追踪，也就是把MPPT视为一个重要的特性，并且通过ADP5091将能源储存至磷酸鋰铁电池。此方案使用的磷酸鋰铁电池电压为3.2伏，容量为2400mAh。同时，ADP5091有监控电池电压的功能，以及对电池充电至饱合时截止电压的可设定功能。设定电池放电到最低电压时将ADP5091输出关闭，这样的功能主要是避免电池不必要的损坏，并且可以延长电池的使用寿命。

与低输入电压源不期而遇，热电能量需要这种收集器

温度是到目前为止被检测最多的物理变量，同样可进行热能转化。基于热电材料的赛贝克效应，利用器件内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换。当器件两端存在温差时，热场驱动器件内的载流子定向运动，从而产生温差电流。在实际的应用场景中，可能会遇到如热电堆甚至小型太阳能电池板等极低的输入电压源，ADI LTC3109就很好的解决了超低输入电压应用的能量收集问题。

LTC3109提供了一款紧凑、简单和高度集成的单片式电源管理解决方案，能在输入电压低至20mV的情况下正常运作。凭借这种独特的能力，LTC3109可利用一个热电发生器(TEG)来为无线传感器供电，并从小至1°C的温度差(ΔT)收集能量。采用一个现成有售的小型(6mmx6mm)升压变压器和少量的低成本电容器，该器件即可提供用于给当今的无线传感器电子线路供电所需的稳定输出电压。

由一个TEG来供电的无线传感器应用

以一个TEG来供电的无线传感器应用为例（如上图），2.2V LDO输出负责给微处理器供电，而VOUT利用VS1和VS2引脚设置为3.3V，以给RF发送器供电。开关VOUT(VOUT2)由微处理器控制，以仅在需要时给3.3V传感器供电。当VOUT达到其稳定值的93%时，PGOOD输出将向微处理器发出指示信号。为了在输入电压不存在时保持运作，在后台从VSTORE引脚给0.1F存储电容器充电。这个电容器可以一路充电至高达VAUX并联稳压器的5.25V箝位电压。如果失去了输入电压电源，那么就自动地由存储电容器提供能量，以给该IC供电，并保持VLDO和VOUT的稳定。

简化振动能量收集，你需要新型压电式器件

振动机械也普遍存在能自然环境中，受外界条件限制较少且能量密度大，因此在微能量采集技术中是一种比较好的选择，也是无线传感器替代能源的理想之选。在实现原理方面，振动能量收集器通常采用压电材料实现振动能到电能的转换，将振动能量收集器以悬梁臂的结构固定在振动源上，当产生机械振动时压电晶体发生形变，在回路中产生电流，随着振动方向的变化，电流的方向也跟着改变。

振动机械能转换为电能的方法有三种：电磁式 、静电式、压电式。其中，压电式换能方式结构简单，便于MEMS加工，能量采集密度大且无需启动电压，在实际应用中满足嵌入式系统和无线传感网络的要求。LTC3588-1正是一款压电式能量收集电源，它的出现极大地简化了从振动能源收集剩余能量的工作。

LTC3588-1电路将振动源或应变源转换为电源

上图示出的电路采用了一个小型压电换能器，用于将机械振动转换为一个AC电压电源，以馈入LTC3588-1的内部桥式整流器。它能够收集小的振动能源并生成系统电源，而没有使用传统的电池电源。总体来看，LTC3588-1这款革命性器件能够从几乎所有的机械振动源或应变源吸取能量。此外，凭借其全面的功能组合以及设计的简易性，该器件还极大地简化了能量收集链中难以完成的功率转换设计。

总结

正如文章开篇所言，传感器在难以进行电源配线和电池交换的情况下，将光、温度、振动、电波转换为电力的能量收集技术变得不可或缺。在实际的应用过程中，电源管理是利用好常见的环境能源的关键环节。针对室内外光、温度梯度、振动以及其他多种能量源，ADI提供了丰富的电源管理IC供用户选择，提供简单和有效的电源管理解决方案，能实现各种能量的收集为无线传感器和其他低功率应用供电。

关键词:物联网 传感器 电源管理

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来 源：传感器技术

编辑：仪器仪表WXF

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