能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點即將到來

移動電源應(yīng)用領(lǐng)域?qū)挿憾鄻?。產(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾μW的無線傳感器節(jié)點（WSN）到采用好幾百瓦時電池組的車載醫(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)出一些相對一致的發(fā)展趨勢；即：設(shè)計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給電池充電。

第一個趨勢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。第二個趨勢則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性，因為它們需要處理各種各樣的輸入電源和功率。此外，支持“物聯(lián)網(wǎng)”的無線傳感器用量的激增也使人們對于可適應(yīng)無線低功率設(shè)備之小型、緊湊和高效電源轉(zhuǎn)換器的需求量有所增長。

隸屬于IoT領(lǐng)域、同時從能量收集的角度來看也是值得期待的新興應(yīng)用市場之一是可穿戴式電子產(chǎn)品。盡管其尚處在起步階段，但該市場已經(jīng)包括了諸如三星智能腕表 （Samsung Galaxy Gear） 和谷歌眼鏡等產(chǎn)品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。

電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

低功率應(yīng)用是指擁有毫微功率轉(zhuǎn)換要求的應(yīng)用，比如WSN中常見的能量收集系統(tǒng)等，其必需采用負責(zé)處理極低功率和電流的電源轉(zhuǎn)換IC.這可以分別是數(shù)量級為幾十μW的功率和nA級的電流。

最先進和現(xiàn)有的能量收集（EH）技術(shù)（例如：振動能量收集和室內(nèi)或可穿戴式光伏單元）在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的經(jīng)驗可以說明，無論就能量供應(yīng)還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長壽命的電池類似。而且，采用EH的系統(tǒng)通常將能夠在電池耗盡之后實施再充電，而這一點卻是由主電池供電的系統(tǒng)所做不到的。盡管如此，大多數(shù)解決方案還是將某種環(huán)境能量源作為主電源，但把一個主電池作備用，當環(huán)境能量源消失或中斷時可接通主電池以提供電能。

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于工作狀態(tài)的時間。因此，能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會遇到較低的、變化的和不可預(yù)測的可用功率，因而設(shè)計者通常采用了一種能量收集器和一個輔助電源相連的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可以是一個可再充電電池或一個存儲電容 （甚至有可能是超級電容）。由于收集器可提供無限的能量供應(yīng)和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲存器 （一個電池或一個電容）可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在有需要時供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器來給下游電子系統(tǒng)或 WSN供電。當然，從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度而言這將導(dǎo)致復(fù)雜程度的進一步增加，因為他們現(xiàn)在必須考慮這樣一個問題：“為了應(yīng)對環(huán)境能量源缺乏的情況而提供補償，應(yīng)在輔助儲存器中存儲多少能量呢？”

能量收集解決方案

幸運的是，對于此類系統(tǒng)的設(shè)計人員而言，目前已經(jīng)有了很多具備必要的特性和性能的電源轉(zhuǎn)換IC,其可實現(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. 帶光耦合器和分流調(diào)節(jié)器的反激式調(diào)節(jié)器框圖

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

LTC3331的EH電源由一個可適應(yīng)AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，其負責(zé)從壓電電源（AC）、太陽能（DC）或磁（AC）源收集能量。一個10mA分流器允許利用收集能量進行電池的簡單充電，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?？稍俪潆婋姵刎撠?zé)為一個可在其輸入端電壓為1.8V 至5.5V時正常運作的同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，并在沒有收集能量可用的情況下使用以調(diào)節(jié)輸出 （無論輸入是高于、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，因而當能量收集電源具備多余的電能時，它將只給電池充電。如果沒有這種邏輯功能，能量收集電源在某個非最佳操作點上將被阻塞于啟動，并且無法通過其啟動操作來為預(yù)期的應(yīng)用電路供電。LTC3331可在收集電源不再可用時自動地切換至電池供電。這帶來了額外的好處：如果能在至少一半的時間里提供一個合適的EH電源，那么電池供電式WSN的工作壽命就可從10年延長至20年以上，而如果EH電源的使用時間比例更高則電池的使用壽命還可以更長。另外，該器件還集成了一個超級電容器平衡器以增加輸出存儲。

LTC3129是一款同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器，其提供高達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)電池以及太陽能電池板和超級電容器輸入。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、低于或等于輸出時提供一個穩(wěn)定的輸出。LTC3129采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在所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，延長電池運行時間是最重要的。LTC3129的1.2MHz恒定開關(guān)頻率可確保低噪聲和高效率，同時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)用將具有用于實現(xiàn)其正確運作的眾多功率級（從μW至1W以上），但可供系統(tǒng)設(shè)計人員選擇的電源轉(zhuǎn)換IC也有很多。不過，它處于功率范圍的低端，所需轉(zhuǎn)換的電流為nA級。正是這一點造成了選擇的受限。

幸運的是，LTC3331能量收集器和電池壽命延長器與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，同時實現(xiàn)了新一代的 EH 應(yīng)用。這確實是個好消息，因為我們正在邁向能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。

作者：Tony Armstrong

凌力爾特公司