物聯(lián)網(wǎng)的普及，各種智能終端將無處不在。然而，很多特殊應(yīng)用場(chǎng)景下為這些終端的供電成為麻煩。為了擺脫電池的束縛，人們?cè)缫褜⒛抗廪D(zhuǎn)向電子產(chǎn)品周圍環(huán)境中的各種能量，例如將熱能、機(jī)械能、輻射能、化學(xué)能等轉(zhuǎn)為電能的方案。然而，我們周圍環(huán)境中無處不在的電磁波往往被忽視，但卻有可能成為電子產(chǎn)品的重要能量來源。

事實(shí)上，利用通信電波遠(yuǎn)程給數(shù)碼產(chǎn)品供電的技術(shù)將在很多國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。據(jù)媒體報(bào)道，日本總務(wù)省計(jì)劃最早在2020年度內(nèi)以3個(gè)帶寬分配專用電波，日本將通過政企合作加快這些新技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)的速度；松下正在開發(fā)與溫濕度傳感器等合為一體的名片大小的信號(hào)接收器零部件，預(yù)計(jì)在住宅、辦公室、工廠、基礎(chǔ)設(shè)施的檢查和護(hù)理等方面得到利用。

無線供電系統(tǒng)原理分析

無線供電得以實(shí)施，得益于超低功率微控制器的近期發(fā)展造就了具有空前集成度的超低功耗器件。這些器件是片上系統(tǒng)，采用了領(lǐng)先的節(jié)能方案，例如關(guān)斷電路近乎零功耗進(jìn)入空閑狀態(tài)。事實(shí)上，運(yùn)行這些器件所需的功率非常之低，以至于許多傳感器逐步實(shí)現(xiàn)了無線化，而從傳感器的局部環(huán)境中采集環(huán)境機(jī)械能、熱能或電磁能則有可能是一種更為有效的無線電源解決方案。

線功率傳輸(WPT)系統(tǒng)由氣隙分隔的兩部分組成：發(fā)射(Tx)電路（包括發(fā)射線圈）和接收(Rx)電路（包括接收線圈）（如下圖）。與典型的變壓器系統(tǒng)非常相似，發(fā)射線圈中產(chǎn)生的交流電通過磁場(chǎng)感應(yīng)在接收線圈中生成交流電。然而，與典型的變壓器系統(tǒng)不同的是，原邊（發(fā)射端）和副邊（接收端）之間的耦合程度通常很低。這是由于存在非磁性材料（空氣）間隙。

無線功率傳輸系統(tǒng)組成原理圖。

目前大多數(shù)無線功率傳輸應(yīng)用都采用無線電池充電器配置。可充電電池位于接收端，只要有發(fā)射端，就可對(duì)其進(jìn)行無線充電。充電完成后，將電池與充電器分離，可充電電池即可為終端應(yīng)用供電。后端負(fù)載既可直接連接到電池，也可通過PowerPath?理想二極管間接連接到電池，或連接到充電器IC中集成的電池供電穩(wěn)壓器的輸出端。在所有三種情況下（見下圖），終端應(yīng)用既可在充電器上運(yùn)行，也可脫離充電器運(yùn)行。

無線Rx電池充電器，后端負(fù)載連接到：a)電池；b)PowerPath理想二極管；c)穩(wěn)壓器輸出端。

但是，如果特定應(yīng)用根本沒有電池，取而代之的是，當(dāng)無線電源可用時(shí)，只需提供一個(gè)穩(wěn)壓的電壓軌，那又會(huì)如何呢？在遠(yuǎn)程傳感器、計(jì)量、汽車診斷和醫(yī)療診斷領(lǐng)域，此類應(yīng)用的例子極為常見。例如，如果遠(yuǎn)程傳感器無需持續(xù)供電，那么它就不需要電池，而使用電池需要定期更換（若是原電池）或充電（若是可充電電池）。如果該遠(yuǎn)程傳感器僅需要用戶在其附近時(shí)給出讀數(shù)，則可按需進(jìn)行無線供電。

下圖是一款能量收集電源系統(tǒng)的基本構(gòu)成示意圖，它包括能量源 / 傳感器、一個(gè)能量?jī)?chǔ)存元件和一種用于將該儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換為一個(gè)可用穩(wěn)定電壓的設(shè)備。另外，在換能器和能量?jī)?chǔ)存元件之間或許還需要布設(shè)一個(gè)電壓整流器網(wǎng)絡(luò)，用于防止能量回饋至傳感器中，或在采用壓電器件的情況下負(fù)責(zé)對(duì) AC 信號(hào)進(jìn)行整流。

常見的環(huán)境能量收集系統(tǒng)組成

極低功耗的能量收集電源解決方案

要成功地設(shè)計(jì)完整的獨(dú)立型無線傳感器系統(tǒng)，就需采用節(jié)能型微控制器和傳感器，它們消耗極少電能，并可從低能量環(huán)境獲取能量。目前，這兩類器件在市面上都很容易獲得，而所缺失的一環(huán)則是能夠?qū)鞲衅鬏敵鲛D(zhuǎn)換為一個(gè)可用電壓的高效功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

適合于無線供電、壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化的完整能量收集解決方案

ADI推出的LTC3588-1就是一款納安功耗能量收集電源解決方案，專為諸如壓電傳感器等高阻抗源而優(yōu)化。它內(nèi)置了一個(gè)低損耗全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，用于將能量從一個(gè)輸入存儲(chǔ)器件傳輸至輸出，以產(chǎn)生一個(gè)可支持高達(dá) 100mA 負(fù)載的穩(wěn)定電壓。LTC3588雖然LTC3588-1最初為傳感器（如壓電、太陽能等）供電的能量收集(EH)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但它也可用于無線電源應(yīng)用。

下圖顯示了采用LTC3588-1的完整發(fā)射端和接收端WPT解決方案。在發(fā)射端，使用基于 LTC6992 TimerBlox?硅振蕩器的簡(jiǎn)單開環(huán)無線發(fā)射器。在此設(shè)計(jì)中，將驅(qū)動(dòng)頻率設(shè)置為216 kHz，低于LC諧振電路的諧振頻率266 kHz。fLC_TX與fDRIVE的精確比值最好是憑經(jīng)驗(yàn)來確定，旨在最大程度地減小由零電壓開關(guān)(ZVS)引起的M1開關(guān)損耗。關(guān)于發(fā)射端線圈選擇和工作頻率的設(shè)計(jì)考慮，與其他WPT解決方案沒有什么不同，也就是說，在接收端采用LTC3588-1并無任何獨(dú)特之處。

WPT采用LTC3588-1提供穩(wěn)定的3.3 V電壓軌

在接收端，將LC諧振電路的諧振頻率設(shè)置為與216 kHz的驅(qū)動(dòng)頻率相等。鑒于許多EH應(yīng)用需要進(jìn)行交流到直流的整流（就像WPT一樣），因此LTC3588-1已經(jīng)內(nèi)置了這項(xiàng)功能，允許LC諧振電路直接連接到LTC3588-1的PZ1和PZ2引腳。該整流為寬帶整流：直流到>10 MHz。與LTC4123/LTC4124/LTC4126的VCC引腳類似， 將LTC3588-1的VIN引腳調(diào)節(jié)至適合為后端輸出供電的電平。對(duì)LTC3588-1而言，是遲滯降壓型DC-DC穩(wěn)壓器的輸出而不是電池充電器的輸出?？赏ㄟ^引腳選擇四種輸出電壓：1.8 V、2.5 V、3.3 V和3.6 V可選，連續(xù)輸出電流高達(dá)100 mA。只要平均輸出電流不超過100 mA，就可以選擇大小合適的輸出電容來提供較高的短期突發(fā)電流。當(dāng)然，要完全實(shí)現(xiàn)100 mA輸出電流能力，還取決于是否具有適當(dāng)大小的發(fā)射端、線圈對(duì)以及是否充分耦合。

如果負(fù)載需求低于支持的可用無線輸入功率，則VIN電壓會(huì)增加。雖然LTC3588-1集成了一個(gè)輸入保護(hù)分流器，可在VIN電壓上升至20 V時(shí)，提供高達(dá)25 mA的拉電流，但這個(gè)功能并非必需的。隨著VIN電壓上升，接收線圈上的峰值交流電壓也會(huì)上升，

這相當(dāng)于可提供給LTC3588-1的交流量下降，而不只是在接收諧振電路中循環(huán)。如果在VIN上升至20 V之前就達(dá)到了接收線圈的開路電壓(VOC)，則后端電路受到保護(hù)，接收端IC中不會(huì)產(chǎn)生熱量造成能耗。測(cè)試結(jié)果：針對(duì)圖3所示氣隙為2 mm的應(yīng)用，測(cè)得在3.3 V下可提供的最大輸出電流為30 mA，而無負(fù)載時(shí)測(cè)得的VIN電壓為9.1 V。當(dāng)氣隙接近為零時(shí)，可提供的最大輸出電流增加至大約90 mA，而無負(fù)載時(shí)的VIN電壓僅增加至16.2 V，遠(yuǎn)低于輸入保護(hù)分流電壓。

本文小結(jié)

針對(duì)采用無線電源的無電池應(yīng)用，LTC3588-1提供了一種簡(jiǎn)單的集成解決方案，可提供低電流穩(wěn)壓電壓軌，還帶有完整的輸入保護(hù)功能。通過從周圍環(huán)境收集環(huán)境能量而使遠(yuǎn)程傳感器能夠不依靠電池來運(yùn)作，該器件包含了所有關(guān)鍵的電源管理功能：一個(gè)低損耗橋式整流器、一個(gè)高效率降壓型穩(wěn)壓器、一個(gè)負(fù)責(zé)接通和關(guān)斷降壓型轉(zhuǎn)換器的低偏置 UVLO 檢測(cè)器、以及一個(gè)用于在電源可用時(shí)喚醒微控制器的 PGOOD 狀態(tài)信號(hào)。LTC3588-1 僅利用 5 個(gè)外部組件即可支持高達(dá) 100mA 的負(fù)載。