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物联网|能工作数十年的物联网传感器，该怎么设计？这些方案来了解一下( 六 )


但是 ， 不同的锂化学电池 ， 其输出电压、充电/放电特性、电压与剩余电容的关系、工作温度范围、充电/放电循环次数等性质存在重大差异 。同其他电池规格一样 ， 循环次数也取决于每次循环的放电深度 。表1概要显示了两种广泛使用的二次电池——镍镉（NiCad或NiCd）和锂离子——以及两类基本大容量电容器的主要特性 。
表1：充电电池和电容器具有不同的主要特性组合 。（图片来源：KEMET Corp.）
对于需要持续运行超长时间的应用 ， 确定储能元件所需的毫安时 (mAh) 额定容量在概念上很简单 ， 但在实践中却很难 。虽然一级分析基于所需功率（包括静态、稳态和脉冲模式）的积分 ， 但在使用这些器件进行设计时 ， 还有更多考虑因素 。例如 ， 内部等效串联电阻 (ESR) 引起的损耗和温度相关的性能降级等问题 ， 便是各种必须考虑的因素之中的两个 。因此 ， 需要仔细研究电池或超级电容器规格书及其大量图表 。
系统电源管理：持续的挑战
无论是选择电池、超级电容器还是同时使用 ， 对从收集换能器到储能元件的能量流以及之后将其传输到负载的过程进行管理 ， 是一个关键设计问题 。此功能必须确保以最大效率将所收集的能量（通常非常小）转移到储能元件 ， 同时又不会因过度充电而缩短电池寿命 。管理功能还必须在需要时计量传送到负载的电流 ， 而其本身消耗的功率应非常小 。此外 ， 管理功能必须管理放电周期以避免深度放电 ， 因为深度放电会减少全容量充放电循环次数 。
在输出端 ， 管理器还必须实现DC/DC稳压 ， 这样 ， 尽管储能元件电压和负载需求发生变化 ， 负载轨仍会保持恒定电压 。根据所选择的电池或电容器 ， 在负载需求范围内 ， 此稳压功能可以使用降压或升压模式 。当储能元件的输出电压会从所需直流电源轨电压以上变到以下时 ， 稳压功能也可以使用降压/升压组合式稳压器 。
例如 ， Analog Devices的 LTC3331EUH ＃PBF 是一款带有能量收集电池充电器的毫微功率降压/升压DC/DC稳压器 ， 针对太阳能电池的较高电源电压进行了优化（图2） 。但是 ， 它也可以与低压电源一起使用 ， 构成带备用电池的完整能量收集解决方案的基础 。LTC3331采用5mm x 5mm QFN-32微型封装 ， 具有双路输入（例如将太阳能和压电作为收集来源）和一个确定两路输入优先级的单路输出DC/DC稳压器 。
图2：AnalogDevices的LTC3331可以处理两个收集来源并确定其优先级 ， 而且能平衡两个超级电容器和一个电池 ， 同时以高达50mA的电流提供1.8V至5V的电压（左） 。图中还显示了LTC3331从收集的能量为电池充电时的时序（右） 。（图片来源：AnalogDevices）
收集的输入可以在3.0V至19V之间 ， 而电池电压最高可达4.2V；在50mA时 ， 稳压输出轨可以设置为1.8V至5V 。它还支持串联使用两个超级电容器 ， 并通过自动电池平衡来提高储能量和效率 。
降压和升压转换器由优先级控制器进行控制 。这会根据电池和/或可收集能量的可用性 ， 选择使用何种能量源 。如果收集的能量可用 ， 则降压稳压器处于活动状态 ， 降压-升压功能关闭 。板载10mA并联电池充电器具有低电量断开功能 ， 可以对备用电池充电 ， 从而大大延长了使用寿命 。静态电流是决定稳压器效率的一个关键因素 ， 在能量收集设计中尤其如此 ， 在无负载时电流仅为950nA 。
长期供电问题已经解决了吗？
由上文可知 ， 关于可用收集来源、使用电池还是超级电容器 ， 以及系统取舍的决策是很复杂的 。但是 ， 当使用收集的能源时 ， 还有两个更大的问题 ， 尤其是在电池方面 。首先 ， 充电电池的充电/放电循环次数不是无限的 。即便在最佳的充放电条件和温度下 ， 其典型循环次数也只有1000或2000次 ， 无法满足数十年的充放电需求 。
根据图3 ， Tadiran的LiSOCl 2 XOL系列在20年后还有86%的额定容量（左） 。LiSOCl 2 XTRA系列在10年后的容量为80% ， 而其他化学电池已降至70%（中） 。锂二氧化锰 (LMNO 2 ) 和碱性电池的年自放电率很高 ， 使用寿命达不到10年以上（右） 。


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