跟着极低功率传感器、微控制器和射频 (RF) 收发器的易用性和功用的不断提高，选用能量搜集技能来专门供电或作为弥补供电办法的无线传感器网络越来越挨近实践。超低功率无线协议已开端逐渐被业界所广泛接收，并且相关的规范也在活跃的拟定之中。摆脱了沟通电源或电池电源捆绑的传感器网络为完成更大的灵活性、更低的保护本钱、更高的安全性以及广泛的遍及供给了或许性。只是几年之前还无法幻想的运用现在凭仗能量搜集技能将有望成为实践。新出现的电源办理产品能够将各种能量搜集换能器 (TEG、光伏、压电、磁) 的运用不方便、时断时续并且常常微乎其微的输出转化为适宜当今电子产品的可用电平。但是，关于这些电源办理器件，需求一种新的标准拟定、剖析和规划办法，以充分发挥各换能器元件以及终究由它们供电的传感器网络电子线路的功用。
无线传感器并不是新生事物。如欲通过运用能量搜集技能而使其成为半自主型或全自主型器材，则需正确地挑选和规划换能器和电源办理器材。图 1 示出了一个典型的无线长途传感器节点。迄今为止，在该体系中缺失的一环一直是电源办理处理计划。可供给功率的换能器运用起来常常极为不方便——要么发生一个十分低压的低阻抗输出，要么发生一个十分高压的高阻抗输出。此体系中的各种单元能够进一步细分为功率发生器/调理器 (换能器和电源办理) 和功率耗用部件 (其他一切单元)。简而言之，假如能量搜集体系的均匀输出功率才能超过了长途传感器电子线路所需的均匀功率，则有或许完成一个自主型体系。
图 1：典型的无线传感器体系
关于任何规划来说，在发动之前展开一次快速可行性剖析都是值得的。这甚至连能量搜集技能是否切实可行都可迅速地加以确认。第一步是决议所需的丈量频度和丈量成果发送频度。咱们将把此称为丈量频率 (F)。接着，咱们将能够决议发生希望的数据和 RF 收发器功率需求多大的处理功率以及传输此类数据所需的时刻。表 2 给出了常见微控制器和 RF 链路体系的典型功率要求。这些功率要求会因制造商以及特定的运用而有所不同。有许多种可供挑选的计划，并且它们能够依据终究运用进行相应的优化。由此咱们能够核算出体系占空比和均匀功率。体系占空比的界说为：[ (丈量时刻 (Tm) + 处理时刻 (Tp) + 发送时刻 (Tt)] x 丈量频率 (F)。均匀功率 (Pa) 便是总功率 (P) x D + 待机功率 (一般小至足以忽略不计)。
表 1：典型能量源及其功率才能
表 2：微控制器和 RF 链路的典型功率要求
举个比如，假定咱们需求规划一款自主型室内温度传感器。该传感器将被布置在一座大型作业楼内，通过与近接传感器的耦合将能够检测出室内是否有人员活动并相应地调理温度。在一幢大型楼宇内安放此类传感器能够显著地下降每年的供温暖致冷本钱。在 3.3V 电压条件下，这些传感器需求 500μA的电流和 2ms 的时刻来丈量温度和检测屋内的人员情况。一个低功率微控制器需求别的花费 5ms 的时刻来处理该数据。在处理数据时，该微控制器的电流消耗为 3mA (在 3.3V)。最终，RF 链路需求 20mA 电流 (在 3.3V) 和 30ms 时刻来发送数据。希望的丈量频率为 0.2Hz (即每 5 秒进行一次丈量)。
D = (Tm + Tc + Tt) x F = (2ms + 5ms + 30ms) x 0.2Hz = 0.0074
总功率 (P) = (3.3V x 500uA) + (3.3V x .003) + (3.3V x .03) = 110.6mW
均匀功率 (Pa) = D x P = 0.0074 x 0.1106 = 818μW
Pa (即均匀功率) 是要害项，它将告知咱们哪些类型的能量搜集换能器 (假如有的话) 会适宜该体系。表 1 罗列了一些典型的换能器以及它们所能供给的典型均匀功率。用 (K) 标明的竖列所给出的是功率转化常数，它考虑到将换能器能量转化为一个可用电压 (在此场合中为 3.3V) 所需的电源办理模块的类型。抱负的功率转化器具有一个 K = 1。K 将因所选用的换能器类型的不同而存在差异。一般来说，K 与换能器的输出电压成份额。因为十分低输出电压换能器 (例如：TEG) 需求一个极高的升压比以及相应的高输入电流，因而其功率转化常数K 往往要比比如压电元件等十分高输出电压换能器低。由上面的比如可见，所需的均匀功率 (Pa) 挨近压电换能器的功率规模上限，但处于 TEG 和光伏 (PV) 换能器或太阳能电池的功率才能规模之内。
体系环境一般将约束所挑选的换能器类型。在咱们所举的比如中，咱们不或许依靠某种一直可用的光源，因而 PV 换能器并不有用。因为咱们现已处于压电换能器所能供给的功率上限，故而咱们决议运用一个 TEG (热电发生器)。当露出于温差环境中时，TEG 将运用塞贝克 (Seebeck) 效应在其输出端上发生一个输出电压 (见图 2)。为了进一步阐明咱们的比如，假定挑选了一个 50mm2 TEG。TEG 的一端将装置至天花板中的 HVAC 管道，另一端则露出在室温空气中。因为 TEG 的热阻十分低，要在其两头上发生一个适宜的温差 (ΔT) 常常颇具挑战性，因而在室温侧将选用一个散热器。咱们的丈量成果表明：在均匀室温为 25ºC 的情况下，冬天 (供暖) 中 HVAC 管道外表的均匀温度为 38ºC，而夏日 (致冷) 中则为 12ºC。通过细心的丈量，咱们确认：当把 TEG 和一个散热器装置至 HVAC 管道时，TEG 两头的 ΔT 大约为 ±10ºC。从制造商供给的产品手册咱们能够发现：10ºC ΔT 时的 TEG VOUT 为 180mV。TEG 输出电阻 (ROUT) 为 2.5Ω。当 TEG ROUT = 功率转化器 (或负载) RIN 时，可输送至负载的功率到达最大。
图 2：典型 TEG 假如咱们假定电源办理电路具有一个挨近 2.5Ω 的 RIN，则可供给至功率转化器输入端的最大功率为 180mV2/(2.5Ω x 4) = 3.24mW。咱们的功率转化器常数 (K) 为 0.4，因而可输送至长途传感器 3.3V 输出的总功率为 3.24mW x 0.4 = 1.3mW。因为 1.3mW 显着高于此前核算得出的 818μW 均匀功率 Pa，咱们好像具有了运作所需的满足功率。
图 3：丈量和发送周期中的典型电流脉冲
图 4：丈量和发送周期中的 VOUT 纹波
咱们面对的下一个扎手难题是用于把 TEG 的十分低输出电压转化至所需的 3.3V 电压的电源办理电路。此外还有一个难点是输入电压能够是 +180mV 或 -180mV (取决于管道外表是热仍是冷)。尽管可通过开发分立电路来处理这一难题，不过，因为电路规划关于杂散电容极为灵敏，并且整个电路必需为微功率以具有适用性，故这种做法所消耗的时刻和精力到最终常常并不值得。走运的是，现在现已有了一款集成化处理计划。图 5 示出了一种选用LTC3109的示例电路。LTC3109可在低至 ±30mV 的输入电压条件下运作，并将发生 4 种预编程输出电压 (VOUT) 中的任一种：(2.35V、3.3V、4.1V 或 5V)。该器材供给了一个可开关的 VOUT，用于在需求时为咱们的传感器供电。LTC3109 还包含一个电源办理器，可用于贮存和运用剩下的搜集能量。因为咱们的典型负载功率低于可用能量，因而能够将任何剩下的能量存储于 CSTORE 以供日后运用。
图 5：LTC3109 电源办理电路
图 3 和图 4 示出了 LTC3109 在一个丈量/发送周期之前、之中和之后的 3.3V 输出。VOUT 上电容器的巨细依据一个丈量/发送周期可接受的电压降来确认。在咱们所举的比如中，咱们确认 3.3V 输出端上的可接受电压降为 300mV。选用从前取得的数值，咱们能够核算出所需的 COUT：
COUT = (ILOAD – IAVG) x dT/dV
= [(37.5mA x 30ms + 500uA x 2ms + 3mA x 5ms) – (1.3mW/3.3V)] / 0.3V
= 2.49mF，挑选一个标称值为 2200μF 的电容器。
式中：
ILOAD = 3.3V 输出端上一切负载之和
IAVG = LTC3109 的均匀输出电流
dT = 负载脉冲的持续时刻
dV = 可接受的电压降
图 5 中的实践电压降远远低于 300mV。这是因为一个针对简略丈量体系的较低电流发送脉冲持续时刻所造成的。
图 6 示出了能量搜集换能器输入暂时中止期间的 3.3V 输出。在该场合中，LTC3109 从存储%&&&&&%器 CSTORE 获取作业电源。关于CSTORE 的数值没有约束，因而其巨细可针对任何希望的体系坚持时刻来确认。
图 6：输入电源中止期间的运作
以上概要描绘的根本规划程序适用于其他类型的能量搜集换能器。现在，与压电元件 (高电压 AC)、电磁 (线圈/磁铁) 和光伏 (太阳能电池) 相连的电源办理电路很简单取得。在一切的场合中，首要都必需确认所需的均匀负载功率，以了解自主型操作是否可行。
