使用能量收集為安裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面提供電力

電源是安裝電子鎖等門(mén)禁控制系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。能夠從環(huán)境中為這些設(shè)備供電，可以降低成本，簡(jiǎn)化集成和安裝，并且通過(guò)消除切斷電源的脆弱性，可以使整個(gè)系統(tǒng)更加安全。本文著眼于使用能量收集和電源管理的選項(xiàng)，為連接到物聯(lián)網(wǎng)的加密無(wú)線訪問(wèn)控制系統(tǒng)提供電源，特別關(guān)注太陽(yáng)能。

為電源提供電源。門(mén)禁系統(tǒng)是智能建筑改造的關(guān)鍵限制因素。必須上下運(yùn)行電力電纜既復(fù)雜又昂貴，系統(tǒng)架構(gòu)師正在尋找為智能系統(tǒng)提供電力的不同方法。必須定期更換數(shù)千個(gè)門(mén)鎖中的電池是昂貴的，并且在許多情況下是不切實(shí)際的。

相反，能量收集提供了在沒(méi)有大量布線的情況下提供電力的機(jī)會(huì)，但在安裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面存在一些關(guān)鍵因素，具體取決于能源。

用于門(mén)禁控制的兩種最合適的能量收集技術(shù)是太陽(yáng)能和熱能。雖然這些電流產(chǎn)生相對(duì)較小的電流，但這適用于訪問(wèn)控制，其中需要小的突發(fā)電源來(lái)授權(quán)訪問(wèn) - 通常通過(guò)無(wú)線鏈接或卡刷卡 - 并從捕獲和存儲(chǔ)的電流中釋放鎖定。返回監(jiān)控網(wǎng)關(guān)的無(wú)線鏈路還提供更高的安全性，并且可以用于在電源被切斷或未經(jīng)授權(quán)嘗試進(jìn)入時(shí)觸發(fā)警報(bào)。使用具有無(wú)線鏈路的能量收集方法消除了對(duì)昂貴的電纜基礎(chǔ)設(shè)施的需要并簡(jiǎn)化了這種系統(tǒng)的改造。

對(duì)于外門(mén)，使用珀耳帖效應(yīng)可以利用能源來(lái)利用溫差。這利用了金屬的不同電氣和熱性能，使得Peltier發(fā)動(dòng)機(jī)，例如Laird Technologies（圖1）的WPG-1，可以安裝在門(mén)中或通過(guò)一側(cè)比另一側(cè)更暖的壁上。然后，這產(chǎn)生可用于給電池充電以給門(mén)禁系統(tǒng)供電的電流。

WPG-1是一款獨(dú)立的薄膜熱電發(fā)電機(jī)，可以收集廢熱并將其轉(zhuǎn)換為可用的輸出直流電。一個(gè)WPG-1可以產(chǎn)生高達(dá)1.5 mW的可用輸出功率，并且可以處理各種負(fù)載電阻。內(nèi)置超低壓升壓轉(zhuǎn)換器，可在低于20°C的低溫差下提供可用的輸出功率?？梢哉{(diào)節(jié)輸出功率以適應(yīng)三個(gè)電壓設(shè)定點(diǎn)：3.3 V，4.1 V或5.0 V.

圖1：WPG-1能量收獲發(fā)電機(jī)可以從溫差產(chǎn)生高達(dá)1.5 mW的功率。

需要一個(gè)本地電池來(lái)捕獲和平滑來(lái)自源的電流，這可能是非常多變的，但也是為了安全。即使切斷電源，訪問(wèn)控制系統(tǒng)也需要保持可用，因此使用本地電池比直接由電源供電的系統(tǒng)具有優(yōu)勢(shì)。

然而，可以為門(mén)禁系統(tǒng)收獲的主要電力來(lái)源很少。使用太陽(yáng)能電池板為系統(tǒng)提供電力是經(jīng)濟(jì)有效的，可以使用自然光或人造光。今天的能量收集面板和電源管理可以跟蹤最佳充電速率，以最大限度地減少損耗，并盡可能多地保留捕獲的電流，以用于無(wú)線鏈路和訪問(wèn)授權(quán)。

EnOcean的入門(mén)套件（圖2） ）旨在為工程師提供探索自供電無(wú)線技術(shù)性能的工具。

圖2：EnOcean的入門(mén)套件允許設(shè)計(jì)人員評(píng)估由太陽(yáng)能電池供電的無(wú)線接入控制器的不同架構(gòu)。

該套件包括用于門(mén)禁控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)的機(jī)電發(fā)電機(jī)以及太陽(yáng)能傳感器。由自加電開(kāi)關(guān)和傳感器發(fā)送的315MHz的RF信號(hào)由USB加密狗接收，以在PC屏幕上可視化。 DolphinView Basic軟件解釋EnOcean無(wú)線電報(bào)，演示如何使用搖臂開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電力，無(wú)需電池即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控器。該系統(tǒng)還支持太陽(yáng)能電池為無(wú)線鏈路供電。

Panasonic的Amorton非晶太陽(yáng)能電池可提供5.3μA至84μA的室內(nèi)光，或5 mA至115 mA的室外光。電池采用玻璃封裝，用于最基本的基板，或者作為薄膜，可以輕松添加到任何結(jié)構(gòu)中以提供電力。通過(guò)備用電池，可以輕松添加基于薄膜的電池，而無(wú)需擔(dān)心布線或安全性。由于權(quán)重不是問(wèn)題，可以根據(jù)訪問(wèn)控制系統(tǒng)所需的功率量來(lái)確定單元陣列的大小。對(duì)于室外系統(tǒng)，這當(dāng)然可以更小，但室內(nèi)系統(tǒng)也可以使用相同的技術(shù)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師創(chuàng)造規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

圖3：Panasonic的Amorton太陽(yáng)能電池在不同環(huán)境下使用玻璃或塑料薄膜基板。

太陽(yáng)能電池板和Peltier發(fā)動(dòng)機(jī)都需要專(zhuān)門(mén)的電源管理設(shè)備來(lái)捕獲電流并管理電池供電凌力爾特公司的LTM8062是一款完整的微功率跟蹤電池充電器，可提供恒定電流/恒定電壓充電特性。它使用3.3 V浮動(dòng)電壓反饋參考，因此LTM8062的任何所需電池浮動(dòng)電壓可高達(dá)14.4 V，可通過(guò)電阻分壓器進(jìn)行編程。

這是通過(guò)輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路實(shí)現(xiàn)的，如果輸入電壓低于編程電平（通過(guò)電阻分壓器設(shè)置），則可以降低充電電流。該輸入調(diào)節(jié)回路用于使用最大峰值功率跟蹤（MPPT）算法將太陽(yáng)能電池板維持在峰值輸出功率。

典型的太陽(yáng)能電池板由多個(gè)串聯(lián)電池組成，每個(gè)電池是一個(gè)正向偏置的pn結(jié)。因此，電池的開(kāi)路電壓具有與普通p-n二極管類(lèi)似的溫度系數(shù)，或約-2mV/℃。晶體太陽(yáng)能電池板的峰值功率點(diǎn)電壓（VMP）可以近似為低于V的固定電壓，因此峰值功率點(diǎn)的溫度系數(shù)類(lèi)似于開(kāi)路電壓的溫度系數(shù)。面板制造商通常會(huì)為這兩個(gè)值指定25°C，因此帶有溫度傳感器的反饋網(wǎng)絡(luò)可用于對(duì)電壓輸入進(jìn)行編程，以跟蹤最大峰值功率，從而獲得最有效的功率轉(zhuǎn)換，因?yàn)楦喙饩€落在單元上熱。

LTM8062還包括預(yù)處理涓流充電，以便可以從太陽(yáng)能電池的少量電流中不斷但安全地對(duì)電池充電，以及電池檢測(cè)不良以簡(jiǎn)化維護(hù)和維修。

同樣，德州儀器（TI）的bq25504專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于從太陽(yáng)能或熱源中有效地獲取和管理納米功率，這些太陽(yáng)能或熱源在3 x 3 mm封裝中產(chǎn)生微瓦至毫瓦。 bq25504的設(shè)計(jì)始于DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，僅需要微瓦的電源即可開(kāi)始工作。一旦啟動(dòng)，這可以有效地從低壓輸出收集器（例如熱電發(fā)電機(jī)或太陽(yáng)能電池板）提取電力。升壓轉(zhuǎn)換器可以在低至330 mV的電壓下啟動(dòng)，一旦啟動(dòng)，可以繼續(xù)將能量降至80 mV。

bq25504還實(shí)現(xiàn)了可編程MPPT采樣網(wǎng)絡(luò)，以?xún)?yōu)化電源轉(zhuǎn)換裝置。對(duì)VIN_DC進(jìn)行采樣時(shí)，使用外部電阻對(duì)開(kāi)路電壓進(jìn)行編程，并使用外部電容進(jìn)行保持。對(duì)于工作在其開(kāi)路電壓的80％的最大功率點(diǎn)（MPP）的太陽(yáng)能電池，電阻分壓器可以設(shè)置為VIN_DC電壓的80％，并且網(wǎng)絡(luò)將控制VIN_DC在該采樣的參考電壓附近工作?；蛘撸?a target="_blank">微控制器MCU可以提供外部參考電壓，以產(chǎn)生更復(fù)雜的MPPT算法。

圖4：bq25504的功能框圖顯示了最大峰值功率跟蹤（MPPT）控制器在太陽(yáng)能電池中獲取功率的關(guān)鍵作用。

為了防止損壞電池，可以根據(jù)用戶編程的欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）電平監(jiān)控最大和最小電壓，并且電源管理器可以在電池上的電壓時(shí)向連接的微控制器發(fā)出信號(hào)降至預(yù)設(shè)臨界水平以下。該警告應(yīng)觸發(fā)負(fù)載電流的減小，以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)，但在設(shè)計(jì)門(mén)禁系統(tǒng)時(shí)必須予以考慮。

結(jié)論

電源管理芯片的集成意味著許多不同類(lèi)型的能源可用于無(wú)線訪問(wèn)控制系統(tǒng)，為系統(tǒng)實(shí)施提供了極大的靈活性，并大大減少了需要復(fù)雜的布線基礎(chǔ)設(shè)施。然而，采集源的選擇仍然是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的關(guān)鍵考慮因素。使用內(nèi)部或外部太陽(yáng)能電池或熱能將具有不同的電源管理考慮因素，從溫度補(bǔ)償和跟蹤到欠壓和過(guò)壓監(jiān)控。由于欠壓條件而導(dǎo)致門(mén)禁控制系統(tǒng)關(guān)閉并不是一個(gè)積極的情況，設(shè)計(jì)人員需要特別注意電源管理要求，以便從他們的能量收集設(shè)計(jì)中獲得最大收益。