背景

便攜式電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿憾�多樣。產(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾 μW 的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 到采用好幾百瓦時(shí)電池組的車載醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現(xiàn)出一些相對(duì)一致的發(fā)展趨勢(shì);即：設(shè)計(jì)人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支持更多的功能，并指望能從任何可用的電源來(lái)給電池充電。第一個(gè)趨勢(shì)將意味著增加電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時(shí)間之內(nèi)完成充電，這就必然導(dǎo)致充電電流的增大。第二個(gè)趨勢(shì)則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性，因?yàn)樗鼈冃枰�處理各種各樣的輸入電源和功率。此外，支持“物聯(lián)網(wǎng)”(IoT) 的無(wú)線傳感器用量的激增也使人們對(duì)于可適應(yīng)無(wú)線低功率設(shè)備之小型、緊湊和高效電源轉(zhuǎn)換器的需求量有所增長(zhǎng)。

隸屬于 IoT 領(lǐng)域、同時(shí)從能量收集的角度來(lái)看也是特別有趣的新興市場(chǎng)區(qū)段之一是可穿戴式電子產(chǎn)品。盡管尚處在其起步階段，但該區(qū)段中已經(jīng)包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡 (Google Glass) 等產(chǎn)品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊外形則來(lái)自于腕表。我現(xiàn)在說(shuō)的不是取材于經(jīng)典美國(guó)喜劇的 Dick Tracy 1940 年代雙向手表收音機(jī) (其外形酷似腕表);我所指的是今天的版本，其擁有通過(guò)一部智能手機(jī)提供的話音和數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和流式視頻功能。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有了許多的產(chǎn)品實(shí)例，在亞馬遜 (Amazon) 公司的網(wǎng)站上快速搜索一下，立刻就會(huì)跳出半打以上的此類商品，其中最突出的一款是高通公司 (Qualcomm) 的 Toq 智能手表。不過(guò)，它與許多其他商品的光芒看似都被萬(wàn)眾期待且傳聞已久的蘋(píng)果 iWatch 所掩蓋。

當(dāng)然，可穿戴式技術(shù)并非僅用于人類，同樣也有很多面向動(dòng)物的應(yīng)用。近期的例子包括針對(duì)馬匹的超聲波治療貼片和電子鞍座優(yōu)化，還有安放在其他動(dòng)物身上負(fù)責(zé)各自執(zhí)行跟蹤、識(shí)別、診斷等等功能的頸圈。無(wú)論是哪種應(yīng)用，大多數(shù)此類設(shè)備都需要采用一個(gè)電池作為主電源。然而，就面向人類的應(yīng)用而言，似乎不久就會(huì)出現(xiàn)可利用太陽(yáng)能產(chǎn)生電力的可穿戴式纖維織物。您可以把它們想象為“電源”套裝!身處此項(xiàng)研究最前沿的一家公司是歐盟贊助的 Dephotex 計(jì)劃，其開(kāi)發(fā)出了可使光伏材料的重量和柔性足以符合穿戴要求的方法。很自然，這種材料將把光子轉(zhuǎn)換為電能，而電能隨后被用于給用戶所穿戴的各種電子設(shè)備供電，或者為其主電池充電，甚至可兼用于這兩種用途。

電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

低功率應(yīng)用是諸如 WSN 中常見(jiàn)的能量收集系統(tǒng)等之毫微功率轉(zhuǎn)換要求，其必需采用負(fù)責(zé)處置非常低功率和電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。這可以分別是幾十μW 的功率和 nA 級(jí)的電流。

最先進(jìn)和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 技術(shù) (例如：振動(dòng)能量收集和室內(nèi)或可穿戴式光伏單元) 在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這么低的功率似乎用起來(lái)很受限，但是若干年來(lái)收集組件的工作可以說(shuō)明，無(wú)論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長(zhǎng)壽命的主電池類似。而且，采用 EH 的系統(tǒng)通常將能夠在電池耗盡之后實(shí)施再充電，而這一點(diǎn)卻是由主電池供電的系統(tǒng)做不到的。盡管如此，大多數(shù)實(shí)施方案將使用某種環(huán)境能量源作為主電源，但將利用一個(gè)主電池為之提供補(bǔ)充，當(dāng)環(huán)境能量源消失或中斷時(shí)可接通主電池以提供電能。

當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于操作狀態(tài)的時(shí)間。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會(huì)遇到低的、可變的和不可預(yù)測(cè)的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電源相連的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可以是一個(gè)可再充電電池或一個(gè)存儲(chǔ)電容器 (甚至有可能是超級(jí)電容器)。收集器由于其可有無(wú)限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲(chǔ)存器 (一個(gè)電池或一個(gè)電容器) 可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒(méi)有可供收集功率的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲(chǔ)存器來(lái)給下游電子系統(tǒng)或 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度而言這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進(jìn)一步增加，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮這樣一個(gè)問(wèn)題：“為了對(duì)缺乏環(huán)境能量源的情況提供補(bǔ)償，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)多少能量呢?”

能量收集解決方案

幸運(yùn)的是，對(duì)于此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員而言，目前已經(jīng)有了很多具備必要的特性和性能特征的電源轉(zhuǎn)換 IC，其可實(shí)現(xiàn)這種在可穿戴式技術(shù)應(yīng)用中使用的低收集功率。凌力爾特近期專為滿足該要求而推出了其 LTC3331，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(zhǎng)器

LTC3331 是一款完整的調(diào)節(jié) EH 解決方案，當(dāng)有可收集能量可供使用時(shí)，其將提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)采用收集能量來(lái)給負(fù)載提供穩(wěn)定的功率時(shí)無(wú)需從電池吸收電源電流，而采用電池供電時(shí)，在無(wú)負(fù)載條件下的工作電流僅為 950nA。LTC3331 集成了一個(gè)高電壓 EH 電源和一個(gè)由可再充電主電池供電的同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以為 WSN 中的能量收集應(yīng)用電路等產(chǎn)生單個(gè)不間斷的輸出。

LTC3331 的 EH 電源由一個(gè)可適應(yīng) AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其負(fù)責(zé)從壓電源 (AC)、太陽(yáng)能 (DC) 或磁 (AC) 源收集能量。一個(gè) 10mA 分流器允許利用收集能量進(jìn)行電池的簡(jiǎn)單充電，而一種低電池電量斷接功能則用于避免電池發(fā)生深度放電�？稍俪潆婋姵刎�(fù)責(zé)為一個(gè)可在其輸入端電壓為 1.8V 至 5.5V 時(shí)正常運(yùn)作的同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，并在沒(méi)有收集能量可用的情況下使用以調(diào)節(jié)輸出 (無(wú)論輸入是高于、低于還是等于輸出)。LTC3331 具備一種在處理微功率電源時(shí)不能忽視的重要電源管理功能。LTC3331 擁有電池充電器的邏輯控制功能，因而當(dāng)能量收集電源具備多余的電能時(shí)，它將只給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯功能，能量收集電源在某個(gè)非最佳操作點(diǎn)上將被阻塞于啟動(dòng)，并且無(wú)法通過(guò)其啟動(dòng)操作來(lái)為預(yù)期的應(yīng)用電路供電。LTC3331 可在收集電源不再可用時(shí)自動(dòng)地切換至電池供電。這帶來(lái)了額外的好處：如果能在至少一半的時(shí)間里提供一個(gè)合適的 EH 電源，那么電池供電式 WSN 的工作壽命就可從 10 年延長(zhǎng)至 20 年以上，而如果 EH 電源的使用時(shí)間比例更高則電池的使用壽命還可以更長(zhǎng)。另外，該器件還集成了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器以增加輸出存儲(chǔ)。

LTC3129 是一款同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，其提供高達(dá) 200mA 的連續(xù)輸出電流，可使用多種輸入電源，包括單節(jié)或多節(jié)電池以及太陽(yáng)能電池板和超級(jí)電容器輸入。該器件具有 2.42V 至 15V 的輸入范圍和 1.4V 至 15.75V 的輸出范圍，可在輸入高于、低于或等于輸出時(shí)提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出。LTC3129 采用的低噪聲降壓-升壓型拓?fù)湓谒�有工作模式之間提供不間斷轉(zhuǎn)換，從而使該器件非常適合必須保持恒定輸出電壓的 EH 應(yīng)用，即使在輸入電源電壓降至低于輸出電壓的情況下也不例外 - 見(jiàn)圖 2。

圖 2：LTC3129 15V/200mA 降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器

LTC3129 包括可編程最大功率點(diǎn)控制 (MPPC) 功能，可確保從光伏電池等非理想電源抽取最大功率。僅為 1.3μA 的靜態(tài)電流使 LTC3129 非常適用于始終保持接通和能量收集應(yīng)用，在這類應(yīng)用中，延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間是最重要的。LTC3129 的 1.2MHz 恒定開(kāi)關(guān)頻率可確保低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件的尺寸。

結(jié)論

盡管采用能量收集系統(tǒng)的可穿戴式應(yīng)用將具有用于實(shí)現(xiàn)其正確運(yùn)作的眾多功率級(jí) (從μW 至 1W 以上)，但可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員選擇的電源轉(zhuǎn)換 IC 有很多。不過(guò)，它處于功率范圍的低端，所需轉(zhuǎn)換的電流為 nA 級(jí)。正是這一點(diǎn)造成了選擇的受限。

幸運(yùn)的是，LTC3331 能量收集器和電池壽命延長(zhǎng)器與 LTC3129 低功率同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器一起提供了極低的靜態(tài)電流，從而使得它們非常適合于諸多的低功率應(yīng)用。低于 1.3μA 的靜態(tài)電流可延長(zhǎng)用于便攜式和可穿戴式電子產(chǎn)品中電路經(jīng)常保持接通之電池壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了新一代的 EH 應(yīng)用。這確實(shí)是個(gè)好消息，因?yàn)槲覀冋�在邁向能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。