電機故障的早期檢測對于最大限度地減少停機時間和確保電機驅動設備和設施的安全運行至關重要。使用熱電發電機 （TEG）、專用電源管理 IC、無線 MCU 和少量附加組件，工程師可以通過從電機本身的熱量中提取能量來構建一個無線傳感器系統，該系統能夠持續、無電池運行。

　　電機運行特性的顯著變化可能表明電機即將或潛在的故障。特別是，溫度測量提供了一種特別有效的電機性能指標，因為許多電氣和機械問題直接導致電機溫度升高。例如，高溫通常是軸承故障的第一個跡象。事實上，溫度升高可能是由于環境溫度高、電壓不平衡、負載過大、污染或進氣口阻塞等多種情況造成的——其中任何一種情況都會削弱電機性能并縮短其使用壽命。事實上，經驗表明，電機的工作溫度每超過額定溫度 10°C，電機的壽命就會減少 50%。

　　使用一對現成的 IC，設計人員可以構建一個復雜的無線傳感器系統，該系統能夠執行廣泛的測量，同時從電機本身的熱量中獲取能量。在該設計的核心，專用的能量收集電源管理 IC （PMIC） 和無線 MCU 提供了提取熱功率和執行傳感器測量所需的基本功能（圖 1）。PMIC 優化來自 TEG 的能量轉換并管理可選存儲設備，而 MCU 使用其集成的模擬外設收集傳感器數據，并使用其集成的 RF 收發器與主機控制器或其他設備進行無線通信。

　　圖 1：在環境能源中，熱能可以提供大量電力，尤其是在電機監控應用中；能量收集 IC 和無線 MCU 的結合在很大程度上完成了由該熱源供電并使用 MCU 的集成模擬外設進行傳感器數據采集的無線傳感器系統的設計。（德州儀器提供）

　　電源要求

　　能量收集方法使設計人員能夠創建能夠運行多年而不需要更換電池甚至根本不需要電池的系統。能量收集應用最關心的問題圍繞著能源不僅滿足平均功率要求而且處理周期性峰值功率負載的能力。對于無線應用，無線通信的本質就是強調這些問題。

　　當系統首先偵聽其他設備然后傳輸其數據時，典型的無線事務包括接收和傳輸階段。對于傳感器系統，這些通信事務可能僅持續幾毫秒，但相隔數秒（或數分鐘）。因此，系統通常大部分時間都處于低功耗空閑或睡眠狀態。因此，無線傳感器系統的功耗曲線通常以延長的靜止期為特征，當系統從其睡眠狀態喚醒、執行其無線電事務并在返回其之前執行相關的后處理例程時，會被活動突發周期性地中斷。低功耗睡眠狀態（圖 2）。

　　圖 2：無線電接收和傳輸代表了大多數使用流行通信協議（如藍牙低功耗）的小型無線系統的峰值電流需求，如圖所示。（德州儀器提供）

　　對于圖 2 所示的藍牙低功耗 （BLE） 通信事件，德州儀器 （TI） 工程師發現［1］ CC2541收發器 IC 的接收和傳輸峰值電流水平為 17.5 mA。在這種情況下，工程師測量整個通信事件的平均電流消耗為 8.3 mA，持續時間約為 3 毫秒。事實上，在使用更新的收發器（例如 TI CC2650 ）的設計中，電流要求甚至更低。

　　CC2650 內置支持多種無線協議，包括一個片上 2.4 GHz 射頻收發器，能夠支持 BLE 或 IEEE 802.15.4 無線通信。除了其 ARM ? Cortex ? -M3 主機處理器，CC2650 還集成了一個超低功耗 ARM Cortex-M0 內核，專門用于執行無線堆棧，包括 Bluetooth Smart ?、ZigBee ?和 6LoWPAN。結果是設備能夠提供顯著的處理和通信能力，同時保持能量收集設計所需的極低功耗水平。

　　與早期的 CC2541 相比，CC2650 在主動接收模式下僅消耗 5.9 mA，在主動傳輸 （0 dBm） 下僅消耗 6.1 mA。此外，CC2650 在活動狀態下的功耗僅為約 2.8 mA，而 CC2541 的功耗約為 8.3 mA。因此，使用 CC2650 等最新器件的設計中的電流消耗約為 6.1 mA 峰值電流和明顯更低的平均電流——約為早期 CC2541 所需電流的三分之一。

　　同時，CC2650 具有低功耗空閑模式，僅消耗 500 μA，同時保持系統電源和 RAM 的供電。事實上，CC2650 具有低功耗待機狀態，僅消耗 1 μA 電流，運行實時時鐘并保持 RAM 和 CPU 狀態。在 500 μA 空閑模式下，器件僅在 14 μs 內轉換到活動模式，但從 1 μA 待機模式轉換到活動模式需要 151 μs。盡管許多傳感器應用可以放心地用更長的喚醒時間換取更低的功耗，但設計人員需要仔細評估睡眠功率要求和響應時間之間的權衡。

　　除了這些基本性能要求之外，傳感器數據采集和信號處理當然會增加額外的功率要求。因此，特定的無線傳感器應用會對處理負載和睡眠持續時間等因素提出其獨特的要求。盡管如此，這一快速分析表明，集成無線 MCU（例如 CC2650 甚至 CC2541）將在能量收集設計的能力范圍內提出電源要求，特別是在旨在使用從工業電機收集的能量的應用中。

　　電源可用性

　　工業電機被指定為允許相對較高的工作溫度升高。美國國家電氣制造商協會 （NEMA） A 級電機的允許溫升為 60°C，而 NEMA F 級電機在額定功率（即服務系數 1.0）下運行時可升高 125°C。有了這種豐富的熱能，使用 TEG 進行能量收集為發電提供了理想的解決方案。

　　TEG 產生的功率與它們兩個面之間的溫差成正比。因此，設計人員需要采取措施確保 TEG 的“冷”側的溫度保持顯著低于 TEG 的電機（熱）側的溫度。對于這種應用，在大多數情況下，使用傳統的翅片式散熱器進行對流冷卻可以確保 TEG 上的溫差合理。

　　在環境溫度高的環境中，簡單的對流冷卻可能只會導致最小的溫差，同時會降低功率輸出。為確保即使在低能量水平下也能實現最大功率輸出，設計人員需要將 TEG 保持在 TEG 功率曲線上的最大功率點。此外，可能需要使用合適的能量存儲設備來確保穩定的電源能夠滿足無線通信交易期間的峰值需求，盡管持續能量轉換水平較低。

　　專用 PMIC，例如 TI BQ25570滿足這些多重要求：除了最大限度地提高 TEG 的功率輸出外，BQ25570 還可以管理儲能設備的充電和放電周期，并為無線 MCU 提供穩壓電源。BQ25570 專為能量收集而設計，甚至能夠從微瓦能源中獲取能量。其集成的充電管理功能使其能夠使用即使是有限的收集功率來安全地為可充電電池和超級電容器充電，同時保護儲能設備免受過壓和欠壓水平的影響。最后，集成電壓轉換器為 MCU 和其他電源要求嚴格的設備提供穩壓電源輸出。憑借其廣泛的集成功能，

　　圖 3：高度集成的電源管理 IC（如 BQ25570）只需幾個額外的組件即可將熱能轉換為穩定的輸出電平，同時還可以管理外部儲能設備。（德州儀器提供）

　　簡化的無電池無線傳感器系統的最終設計選擇在于選擇合適的能量存儲設備。如前所述，一些電機監控方案可能會持續產生足夠的能量來滿足峰值功率要求。對于其他應用——甚至作為能源豐富環境的備用電源——超級電容器為用于擴展操作的無線傳感器系統提供了一種特別有吸引力的解決方案。

　　與容量相當的可充電電池相比，超級電容器可以通過明顯更多的充電/放電循環來保持容量——在許多情況下，要大一個數量級。此外，超級電容器的漏電流非常低：例如Murata DMF3Z5R5H474M3DTA0470 mF 的超級電容器漏電流在 96 小時內小于 5 μA。因此，這些設備非常適合能量受限的應用，例如能量收集。同時，這些器件提供非常靈活的放電速率——例如，DMF3Z5R5H474M3DTA0 提供從 400 μAh 到 1.5 As 的放電速率。此外，這些器件的高存儲容量使它們能夠維持輸出電壓的時間遠遠超過典型無線事務事件的持續時間，即使在非常高的功率水平下也是如此（圖 4）。

　　圖 4：在無線收發器所需的低功率水平下，超級電容器可以在遠遠超過典型無線事務持續時間的時間內維持電壓輸出水平。（村田提供）

　　結論

　　無線監控系統由從電機加熱中提取的熱能提供動力，可以提供預測電機故障、防止停機和確保安全所需的關鍵信息。工程師可以構建一個有效的無線監控系統，除了 TEG 和一對高度集成的設備（專用 PMIC 和無線 MCU）之外，只需要幾個額外的組件。在 PMIC 最大化 TEG 輸出并提供穩壓電源的同時，MCU 收集傳感器數據并將其傳遞給主機。使用這些復雜的設備，工程師可以創建能夠持續無電池運行的電機監控系統。