基于超低功耗的无线电波能量采集系统，实现物联网应用的无电池运行理想

物联网的普及，各种智能终端将无处不在。然而，很多特殊应用场景下为这些终端的供电成为麻烦。为了摆脱电池的束缚，人们早已将目光转向电子产品周围环境中的各种能量，例如将热能、机械能、辐射能、化学能等转为电能的方案。然而，我们周围环境中无处不在的电磁波往往被忽视，但却有可能成为电子产品的重要能量来源。

事实上，利用通信电波远程给数码产品供电的技术将在很多国家已经进入实用化阶段。据媒体报道，日本总务省计划最早在2020年度内以3个带宽分配专用电波，日本将通过政企合作加快这些新技术应用于产业的速度；松下正在开发与温湿度传感器等合为一体的名片大小的信号接收器零部件，预计在住宅、办公室、工厂、基础设施的检查和护理等方面得到利用。

无线供电系统原理分析

无线供电得以实施，得益于超低功率微控制器的近期发展造就了具有空前集成度的超低功耗器件。这些器件是片上系统，采用了领先的节能方案，例如关断电路近乎零功耗进入空闲状态。事实上，运行这些器件所需的功率非常之低，以至于许多传感器逐步实现了无线化，而从传感器的局部环境中采集环境机械能、热能或电磁能则有可能是一种更为有效的无线电源解决方案。

线功率传输(WPT)系统由气隙分隔的两部分组成：发射(Tx)电路（包括发射线圈）和接收(Rx)电路（包括接收线圈）（如下图）。与典型的变压器系统非常相似，发射线圈中产生的交流电通过磁场感应在接收线圈中生成交流电。然而，与典型的变压器系统不同的是，原边（发射端）和副边（接收端）之间的耦合程度通常很低。这是由于存在非磁性材料（空气）间隙。

无线功率传输系统组成原理图。

目前大多数无线功率传输应用都采用无线电池充电器配置。可充电电池位于接收端，只要有发射端，就可对其进行无线充电。充电完成后，将电池与充电器分离，可充电电池即可为终端应用供电。后端负载既可直接连接到电池，也可通过PowerPath?理想二极管间接连接到电池，或连接到充电器IC中集成的电池供电稳压器的输出端。在所有三种情况下（见下图），终端应用既可在充电器上运行，也可脱离充电器运行。

无线Rx电池充电器，后端负载连接到：a)电池；b)PowerPath理想二极管；c)稳压器输出端。

但是，如果特定应用根本没有电池，取而代之的是，当无线电源可用时，只需提供一个稳压的电压轨，那又会如何呢？在远程传感器、计量、汽车诊断和医疗诊断领域，此类应用的例子极为常见。例如，如果远程传感器无需持续供电，那么它就不需要电池，而使用电池需要定期更换（若是原电池）或充电（若是可充电电池）。如果该远程传感器仅需要用户在其附近时给出读数，则可按需进行无线供电。

下图是一款能量收集电源系统的基本构成示意图，它包括能量源 / 传感器、一个能量储存元件和一种用于将该储能转换为一个可用稳定电压的设备。另外，在换能器和能量储存元件之间或许还需要布设一个电压整流器网络，用于防止能量回馈至传感器中，或在采用压电器件的情况下负责对 AC 信号进行整流。

常见的环境能量收集系统组成

极低功耗的能量收集电源解决方案

要成功地设计完整的独立型无线传感器系统，就需采用节能型微控制器和传感器，它们消耗极少电能，并可从低能量环境获取能量。目前，这两类器件在市面上都很容易获得，而所缺失的一环则是能够将传感器输出转换为一个可用电压的高效功率转换产品。

适合于无线供电、压电传感器等高阻抗源而优化的完整能量收集解决方案

ADI推出的LTC3588-1就是一款纳安功耗能量收集电源解决方案，专为诸如压电传感器等高阻抗源而优化。它内置了一个低损耗全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器，用于将能量从一个输入存储器件传输至输出，以产生一个可支持高达 100mA 负载的稳定电压。LTC3588虽然LTC3588-1最初为传感器（如压电、太阳能等）供电的能量收集(EH)应用而设计，但它也可用于无线电源应用。

下图显示了采用LTC3588-1的完整发射端和接收端WPT解决方案。在发射端，使用基于 LTC6992 TimerBlox?硅振荡器的简单开环无线发射器。在此设计中，将驱动频率设置为216 kHz，低于LC谐振电路的谐振频率266 kHz。fLC_TX与fDRIVE的精确比值最好是凭经验来确定，旨在最大程度地减小由零电压开关(ZVS)引起的M1开关损耗。关于发射端线圈选择和工作频率的设计考虑，与其他WPT解决方案没有什么不同，也就是说，在接收端采用LTC3588-1并无任何独特之处。

WPT采用LTC3588-1提供稳定的3.3 V电压轨

在接收端，将LC谐振电路的谐振频率设置为与216 kHz的驱动频率相等。鉴于许多EH应用需要进行交流到直流的整流（就像WPT一样），因此LTC3588-1已经内置了这项功能，允许LC谐振电路直接连接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引脚。该整流为宽带整流：直流到>10 MHz。与LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC引脚类似， 将LTC3588-1的VIN引脚调节至适合为后端输出供电的电平。对LTC3588-1而言，是迟滞降压型DC-DC稳压器的输出而不是电池充电器的输出。可通过引脚选择四种输出电压：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V可选，连续输出电流高达100 mA。只要平均输出电流不超过100 mA，就可以选择大小合适的输出电容来提供较高的短期突发电流。当然，要完全实现100 mA输出电流能力，还取决于是否具有适当大小的发射端、线圈对以及是否充分耦合。

如果负载需求低于支持的可用无线输入功率，则VIN电压会增加。虽然LTC3588-1集成了一个输入保护分流器，可在VIN电压上升至20 V时，提供高达25 mA的拉电流，但这个功能并非必需的。随着VIN电压上升，接收线圈上的峰值交流电压也会上升，

这相当于可提供给LTC3588-1的交流量下降，而不只是在接收谐振电路中循环。如果在VIN上升至20 V之前就达到了接收线圈的开路电压(VOC)，则后端电路受到保护，接收端IC中不会产生热量造成能耗。测试结果：针对图3所示气隙为2 mm的应用，测得在3.3 V下可提供的最大输出电流为30 mA，而无负载时测得的VIN电压为9.1 V。当气隙接近为零时，可提供的最大输出电流增加至大约90 mA，而无负载时的VIN电压仅增加至16.2 V，远低于输入保护分流电压。

本文小结

针对采用无线电源的无电池应用，LTC3588-1提供了一种简单的集成解决方案，可提供低电流稳压电压轨，还带有完整的输入保护功能。通过从周围环境收集环境能量而使远程传感器能够不依靠电池来运作，该器件包含了所有关键的电源管理功能：一个低损耗桥式整流器、一个高效率降压型稳压器、一个负责接通和关断降压型转换器的低偏置 UVLO 检测器、以及一个用于在电源可用时唤醒微控制器的 PGOOD 状态信号。LTC3588-1 仅利用 5 个外部组件即可支持高达 100mA 的负载。

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