【投稿】传感器无源化趋势下的胎压监测能量采集解决方案研究

随着物联网以及各种智能终端应用的广泛普及，传感器的应用呈现爆发之势。然而传感器节点的供电问题却成为系统设计中必须考虑、绕不过去的坎，随着半导体技术的进步、环保理念的增强以及节约维护成本的压力，传感器无源化成为大势所趋。所谓无源化指的是不需要外部电源或者电池供电，依靠传感器关联电路自身获取自然或环境中能量使传感器正常工作，即采用能量采集解决方案。

近几年来针对环境能量的收集技术的研究越来越受到重视，多种形式的能量收集方式被提出，多种高效的能量收集结构被设计出来。集成电路技术在能量收集电路中的应用，使得能量管理电路的功耗更低，效率更高，多种电能管理芯片被开发出来。本文以胎压监测应用为例，分析传感器供电的能量采集解决方案。

典型的能量采集供电应用——胎压监测

随着工艺技术的不断提升，胎压传感器的集成度越来越高，需要的外围电路越来越简单，大大地降低了胎压传感器的功耗，为通过环境能量采集进行供电提供了可能。传统的胎压监测系统普遍使用纽扣电池作为胎压传感器的能量源，在电源耗尽之前需要更换电池，不仅更换起来极为麻烦，而且废旧的电池会对环境造成污染。胎压传感器的无源化可以从根本上解决传统解决方案的供电问题。

能量收集方式主要根据传感器的工作环境和工况决定，胎压传感器在剧烈运动的工况下工作，并处在一种高温、高压的环境中，适合的收集方式有热电式、压电式和电磁式。压电式和电磁式都是收集汽车轮胎上的振动能量，能量收集装置的振动部件受到疲劳寿命等因素的影响，其可靠性不高，实用性不强。热电式能量收集方式收集的是温差能量，不存在任何的移动部件，结构简单可靠，不需要维护，而且只需要提供足够的热源就输出电能，相对于其他形式的收集方式具有很大的优势。

温差发电器件原理基于塞贝克效应，可以直接将温差能量转化为电能。而汽车轮胎在行驶过程中可以产生显著的温差，以室外平均温度25 ℃、平均时速30 km/h为例，实验证明随着汽车行驶时间的增加，轮胎内外的温差不断升高并在50 分钟后超过10 ℃，行驶的轮胎可以为热电器件提供较高的热流，并提供电能输出。

如何实现胎压监测无源供电？基于LTC3108的温差发电能量管理

环境能量采集通常面临电量微弱的特点，随着近年来模拟半导体技术的进步越来越多的能量采集解决方案实现了高效率的电源管理。ADI推出的电源管理芯片LTC3108即可以实现对微弱能量的管理和利用。电路输入端采用了一个小型的升压变压器，利用一个耗尽型N通道MOSFET开关来形成一个谐振升压振荡器，可以将最低20 mV的电压升高，并提供给其他电路使用。下图为基于LTC3108的典型热电管理电路。

应用于胎压传感器的温差能量收集方式，通过分析热电器件的输出特性设计了一款能量收集温差能量的电路，该电路可以通过积累和释放的方式收集电能，实现了在低至100 mV的电压下收集能量，并成功地驱动胎压传感器的工作。随着技术的发展，未来还会有更高ZTM的热电材料得到应用，利用温差能量收集电能来为TPMS供电具备巨大的应用潜力。

总结：能量采集的现状与未来

能量采集早已不是什么新鲜话题，这项技术历史悠久，但是随着人类的所需也在不断发展，当今庞大的人口与其带来的电力能源消耗，越来越多的应用会用到能量采集技术、能源管理系统和可充电电池，所以新能量采集技术的大幕才刚刚揭开，其市场前景也是相当广阔，据相关研究机构调研和预测：2015年，全球能量采集系统市场规模2.68亿美金，预计在2016年——2020年，年均增长率在70%以上，到2020年，其市场规模，将达到40亿美金。

上图是常见的能量采集技术和应用。对于像本文所述的胎压监测、RFID标签、助听器等的能量采集并不是像常见的很大的太阳能板，吸收阳光之后产生大量电力，我们这里提到的能量采集是微功率能量采集，能量介于1瓦以下，大部分情况是几百个毫瓦。微功率能力采集有四种来源，第一个是大家比较常见的太阳能，可是一般传感器的尺寸不可能放一个很大的太阳能板，只能使用小小的太阳能板，并且要能吸收室内灯光。第二种是温差发电，这个比较常在炼钢厂中看到，因为炼钢厂的温度很高、变化很大，所以适合使用温差发电。第三种是压电，是利用震动时的韵律感产生电压。最后一种是利用磁场发电，最常见的就是马达，利用马达运转中产生的磁场发电。

在能量采集技术上，ADI走在了业界前列，其LTC3108/LTC3109以及ADP5091/92在全球有非常广泛的应用。作为应用特别便利、对环境条件要求低的温差发电技术，据悉ADI还在考虑如何改进温差发电转化技术，虽然已有的能量采集IC能实现把20毫伏的微弱电压升到3.3伏已经是非常大的挑战了，但ADI的美国团队仍在思考如何把换能器功率进一步提高，从200微瓦提高到400微瓦，并且体积只有目前的1/10。显然，如果ADI后续真的能够推出这样的产品，那么无疑将会获得全球可穿戴设备市场很大的份额。