現今無線感測器節點多半須更換電池，導致維運成本過高。新一代能量采集晶片同時具備整流及降壓功能，因此當環境能源可用時，可持續采集能源為感測器節點供電，而當無法使用環境能源時，則會自動轉換至電池供電，能有效減少電池電力消耗。

遠端無線感測器以往均依賴電池供電來測量資料，并以無線方式發送，當無線感測器節點位在人員可及之處，便可由人力進行電池更換;此方式雖可靠，但感測器的可用壽命將取決于電池壽命，一般電池可用壽命約5～10年，同時價格昂貴。

有些應用情形難以為電池充電，且人工為電池充電的執行費用高昂，如為核電廠、煉油廠甚至地下設施中的無線感測器電池充電，費用可能相當龐大;若改用較大的電池雖可提供較長壽命，但當尺寸更大，成本就更高。如此一來，如何讓電池達更長續航力，就成為一個重要課題。

提供額外電源能量采集降低電池依賴

關于延長電池壽命的問題，能量采集提供可能的解決途徑。當可采集能源可用時，便透過該能源為感測器節點供電;當沒有可采集能源時，則改由主電池為感測器節點供電。當然，能量采集并非新概念，第一座采用水和重力驅動渦輪發電機的水力發電廠建于1882年，提供綠能和可持續的電力來源，是一種大規模龐可采集能源。然而，因這種能源極度依賴自然地形，因此需要大型、昂貴的傳輸網路;同時，傳輸損耗將隨距離加長而升高，因此大幅降低可用功率。

不過，在很多情況下，無線網路感測節點所需電力僅幾毫瓦(mW)功率，所以可使用規模較小的能量采集解決方案，為尺寸精巧、采無線傳送方式，且在功率譜低階的應用供電。

盡管太陽能電池(光伏電池)與壓電換能器等非傳統電源已廣為熟知，但利用此類非傳統電源供電卻仍具挑戰性;這類電源需要特定的電源轉換電路，以高效率進行采集、管理，并將能源轉換成電能，為感測器、微控制器(MCU)和無線換能器供電。

不論在電源電壓高于所需電壓，必須降壓轉換為可用電壓時，或在某些情況下須要先整流，再進行降壓轉換，以上情況皆需特定的能量采集電路。這類電路是非常復雜的分立式電路，具有多達三十個元件，且須提供夠高的效率以適合實際使用。直到不久前，專門的能量采集電源積體電路(IC)出現了，這類IC結合適當的換能器，可組成精巧、簡單且效率非常高的電源轉換及管理解決方案。

超低功率應用適用于多種無線系統，如交通運輸、基礎設施、工業檢測、大樓自動化、資產追蹤等。此類型系統通常處于備用模式(休眠)，僅需幾微瓦(W)功率維持運作;系統喚醒后，感測器測量壓力、溫度或機械偏轉等參數，以無線方式將資料傳送到遠端系統管理器;進行測量、處理和傳輸所用的全部時間通常僅幾毫秒(ms)，但在幾毫秒內卻需要數十毫瓦功率。上述應用的工作期間通常很短，所以必須采集的平均功率仍然可以相對較小。

盡管電源可能只是一塊電池，它仍須透過人工替換;若可采用以環境能源為主的能量采集設計，當沒有環境能源可用時才使用電池，那么電池壽命將可大幅延長。

以大樓自動化的無線感測器系統為例，其位元感測器、恒溫器、光感應開關等系統省去一般所需的電源或控制布線，而是透過能量采集而來的環境能源和電池，為無線網路供電，除了不必一開始就安裝線纜，此替代方案也不須有線系統的日常維護，進一步節省費用支出。

此外，使用能量采集技術的無線網路，還可連接大樓內部感測器，當建筑內無人時，系統自行關閉非必要區域電源，以此減少熱量、通風與空調(HVAC)以及照明費用。

一個基于能量采集的HVAC監視系統，例如工業園區內的強制空氣流動管道，該系統須連續監視空氣流動速度、溫度和壓力;所有無線感測節點都可能內建溫度、壓力和空氣流動感測器，每隔5秒鐘便進行一次測量。由于HVAC系統分布距離相當長，且通常埋入大樓基礎設施地底，所以架設供電和資訊傳輸線纜的費用非常高，且線纜須要時常維護，同樣是一筆龐大的開銷。

定期更換電池的費用非常高昂，因取出每一塊電池都須雇用專人執行。其解決方案為建構一個可連續運行的電源系統，當環境能源可用時，使用采集的環境能量;當沒有環境能量可采集使用時，用電池供電，以盡量減少電池消耗。

目前最普遍、最容易取得的環境能源之一是振動，小型壓電換能器可將HVAC壓縮機上的振動能量轉換成小電流交流(AC)電訊號(圖1)。這種采集能源須要整流和降壓，以提供可用的低電壓，為無線感測節點供電;其電池可用作備份電源，在暫時沒有采集能源可用時使用，能有效延長電池壽命。

目前市面上已有能量采集穩壓解決方案，當采集能源可用時，其能提供達50毫安培(mA)的連續輸出電流，進而延長電池壽命。當從采集能源向負載穩定供電時，該IC毋須電池提供電源電流;在無負載情況下由電池供電時，僅須750奈安培(nA)工作電流。

新一代整合一個高壓能量采集電源和一個同步升降壓直流對直流(DC-DC)轉換器;該轉換器由主電池供電，為無線感測節點中常見的能量采集應用產生單一無中斷輸出。能量采集電源由一個適合AC或DC輸入的全波橋式整流器，和一個高效率降壓轉換器組成，從壓電(AC)、太陽(DC)或磁(AC)能源采集能量;主電池輸入為升降壓轉換器供電，當沒有采集能量可用時，該轉換器會工作于1.8?5.5伏特的輸入電壓范圍，以便在輸入電流高于、低于或等于輸出電流時，都能立即調節，同時裝置將自動轉換到電池供電(圖2)。

圖2壓電能量采集主電池原理圖

一般而言，相關應用可能使用圖2中AC1端的DC輸入，而且有可能同時使用AC2端的第二個輸入，或者使用跨AC1和AC2連接的單個AC輸入。若能量采集電源是AC電源，例如由壓電換能器產生的電源，那么能量采集穩壓晶片就會透過整合式全波橋式整流器，為輸入電容提供DC電壓;而DC能量則直接儲存于輸入電容中，一旦輸入電容上的電壓超過欠壓鎖定(ULVO)，其輸入優先順序設定器便會關斷電池，并調節來自采集電源的輸出。輸出電壓(VOUT)從1.8?5伏特是接腳可設定的，該輸出通常為射頻(RF)收發器供電。

此外，1.2?3.3伏特的線性穩壓器(LDO)輸出具低雜訊，一般做為微處理器內核電源使用。當使用能量采集電源時，此兩個輸出相互結合，可提供高達125毫安培的輸出電流;當電池啟動時，可提供50毫安培電流。在能量采集模式時，如果有多余的輸出功率，則可存在超級電容中以備將來所需，如此可進一步延長電池壽命。裝置內建的超級電容平衡器則用來進一步最佳化能量儲存;其中，在使用能量采集電源時，電池的靜態電流為零，因此所有電池能量都進而得到節省，以備未來所需。

能量采集穩壓器若內建全波橋式整流器，則適合壓電或磁換能器等產生的AC輸入，將AC訊號整流成DC訊號;若有多個換能器輸入，則將使用提供最高可用電壓(功率)的那一個。

輸入電流透過輸入電容采集，當超過可設定ULVO門檻時，優先順序設定器就關斷電池，由同步降壓轉換器為輸出提供所需功率;該功率透過VOUT接腳或低雜訊LDO輸出提供給負載，任何多余的功率都儲存在輸出電容和/或超級電容中，在此種狀態下，電池吸取的靜態電流為零。

輸入保護分流電路為電壓超過20伏特的情況提供安全保護。若無能量采集輸入電源可用，那么優先順序設定器就自動切換到同步升降壓轉換器，以提供所須輸出。在整個轉換期間，VOUT和VLDO都保持穩定，從而為感測器、無線發送器和微處理器提供所需功率。

升降壓轉換器提供1.8?5.5伏特輸入電壓，適合多種鋰離子電池。無論電池電壓在高于、等于還是低于VOUT時，該升降壓轉換器都以超過90%的效率提供恒定電壓。與一般降壓型設計相比，升降壓架構使電池執行時間延長30%以上，當透過電池操作時，總輸出電流取決于輸入電壓(VIN)/VOUT之比，和電池不能使用時之最終電壓，此輸出電流大約為50毫安培。

VOUT是低雜訊LDO輸出的輸入，該輸出范圍為1.2伏特，比VOUT低50毫伏特，是接腳可設定的，適用于為多種微處理器/控制器內核供電。VOUT和VLDO都具備電源良好狀態輸出，以從總體減輕系統工作負擔。此外，選配式超級電容平衡器可確保儲存能量的最長壽命。

僅作備用能源主電池壽命達兩倍

準確來說，電池壽命能夠延長多少取決于環境能源的性質、可用性以及無線感測節點需要的總功率。

在先前所舉的HVAC例子中，若壓縮機持續運作，整個系統由壓電能量采集電源供電，而電池僅用作備用電源，當遇到停電或壓縮機檢修時才使用，那么則可無限期地延長電池壽命。舉例來說，在火車應用中，感測器用來測量輪轂軸承溫度、貨物庫存或溫度;火車運行時，壓電能量采集電源為系統供電;火車靜止時，則改由電池供電。以上方式將大幅延長電池壽命，這種特點是軌道車輛特別需要的。

另一個例子是太陽能環境能源應用，透過將太陽能電池用作能量采集電源，此系統白天可透過太陽能電池運作，同時也在輸出電容和超級電容中儲存多余的電能;當沒有太陽能電池輸入可用時，系統則首先為輸出電容和超級電容放電數小時，之后再轉換到電池。視外部條件的不同而不同，如此可能延長至少兩倍之電池壽命。

至于電池壽命能延長多少，答案是視情況而定，不過延長時間介于兩倍至無限期之間，而高度取決于系統設計和I/O功率工作周期比。顯然地，只有透過用能量采集IC納入能量采集電源，并用主電池補充能量采集電源時，才有可能延長電池壽命。在大多數情況下，這還使設計者得以使用更小、更便宜的電池。就多種無線感測節點應用而言，增加合適的環境能源換能器和能量采集電源管理IC，可以大幅延長系統主電池壽命。當采集能源可用時，該IC提供高效率能源，且電池漏電流為零，可構成非常精巧、易于實現的解決方案。透過上述方案，在許多應用中都可無限期地延長電池壽命，因此允許使用尺寸更小、成本更低的主電池，并有效減少電池更換費。