如何使用能量收集為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的電源

開(kāi)發(fā)具有能量收集源的系統(tǒng)可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，低電壓和不規(guī)則電壓使設(shè)計(jì)人員難以為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)中使用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的電源。

低成本和高可靠性在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中比數(shù)據(jù)速率更重要，半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)將他們自己的評(píng)估系統(tǒng)整合在一起，以幫助設(shè)計(jì)人員找到最好的方法來(lái)利用它們周?chē)哪芰繛楦鞣N節(jié)點(diǎn)供電源。

使用能量收集將可充電電池的使用時(shí)間從一年延長(zhǎng)到十年，大大降低了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本，無(wú)需更換數(shù)萬(wàn)個(gè)傳感器中的電池。這不僅可以補(bǔ)償無(wú)線節(jié)點(diǎn)的額外復(fù)雜性。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員甚至可以完全消除電池，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的進(jìn)一步成本和復(fù)雜性。

有些比其他更為成熟。光伏太陽(yáng)能電池能夠以可預(yù)測(cè)的電壓提供定期電流供應(yīng)，甚至可以從工廠車(chē)間的室內(nèi)熒光燈照明。這可以與針對(duì)能量收集進(jìn)行優(yōu)化的電源管理器一起使用，例如STMicroelectronics的超低功耗SPV1050，它實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤算法(MPPT)，輸入電壓范圍為75 mA。

除了MPPT功能外，SPV1050還集成了降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)嚴(yán)密監(jiān)控充電結(jié)束和最小電池電壓，可以對(duì)任何電池(包括薄膜電池)充電。以避免過(guò)度放電并保持電池壽命。

MPPT可通過(guò)電阻輸入分壓器進(jìn)行編程(參見(jiàn)圖1)，并允許在任何溫度和輻照度條件下最大化源功率?？梢允褂梦凑{(diào)節(jié)的電壓輸出(例如，提供微控制器)，同時(shí)嵌入兩個(gè)完全獨(dú)立的低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，為傳感器和RF收發(fā)器供電，以便輕松實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)。兩個(gè)LDO(1.8 V和3.3 V)均可通過(guò)兩個(gè)專(zhuān)用引腳獨(dú)立使能，為這些外部器件供電。

圖1：STMicroelectronics的SPV1050使用MPPT控制器用于光伏電池，但也可以與熱能發(fā)電機(jī)一起使用。

然而，該設(shè)備不僅僅是光伏電池，因?yàn)檩斎腚妷悍秶鷱?5 mV到18 V，效率很高降壓 - 升壓和升壓配置均可支持熱能生成(TEG)源。它們通常使用珀耳帖效應(yīng)從溫差產(chǎn)生電流，并且可以具有廣泛變化的輸出電壓。

SPV1050還具有針對(duì)充電結(jié)束和欠壓保護(hù)電壓的微調(diào)功能，以確保匹配任何電源和電池。

這用于STEVAL-ISV020V1評(píng)估板(圖2)，該評(píng)估板使用SPV1050實(shí)現(xiàn)具有特定跳線和測(cè)試點(diǎn)的降壓 - 升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，以幫助開(kāi)發(fā)人員找到最佳系統(tǒng)配置。

該板針對(duì)2.6 V和9 V之間的PV面板進(jìn)行了優(yōu)化，輸入電流范圍為10 mA至20 mA。這用于使用3.7 V欠壓保護(hù)閾值(VUVP)和4.2 V充電結(jié)束電壓閾值(VEOC)為電池充電。

圖2：STEVAL-ISV20V1評(píng)估板允許不同的光伏陣列和TEG源與SPV1050電源管理器一起使用。

通過(guò)改變輸入和輸出電阻分區(qū)，CIN電容和MPPT控制VMPP_SET，不同可以使用PV板?？梢暂p松更改欠壓和充電結(jié)束閾值(VUVP低至2.2 V，VEOC高達(dá)5.3 V)，以支持TEG源和不同的電池負(fù)載。

同樣，ADI公司已經(jīng)使用其能量收集評(píng)估板來(lái)幫助開(kāi)發(fā)人員將其ADP5090低壓電源管理器用于能量收集源。

ADI公司開(kāi)發(fā)了一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用能量采集，旨在實(shí)現(xiàn)極其緊湊的外形。

為這樣的系統(tǒng)供電需要考慮各種其他設(shè)備，例如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器和通信設(shè)備，這些設(shè)備在評(píng)估板上進(jìn)行配置和演示。

這包括AD7091R-5 12位，超低功耗，逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，采用2.7 V至5.25 V單電源供電，需要與電源和電池相匹配。

ADC還包括片上轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，精確基準(zhǔn)電壓源和I 2 C接口，可在標(biāo)準(zhǔn)100 kHz模式和400 kHz快速模式下工作轉(zhuǎn)換過(guò)程和數(shù)據(jù)采集在快速模式下提供最大22.22 kSPS的吞吐率。

ADC具有自動(dòng)循環(huán)模式，允許用戶(hù)將ADC配置為自主操作，用于監(jiān)視用戶(hù)定義范圍之外的事件。這通常用于監(jiān)視選擇的通道，其中限制寄存器被編程為通過(guò)警報(bào)功能發(fā)出超出范圍的信號(hào)。

為此，ADP5090集成升壓調(diào)節(jié)器可轉(zhuǎn)換來(lái)自光伏電池或TEG源的功率輸入功率范圍為16μW至200 mW，可為電池或超級(jí)電容器充電，ADP5090的SYS電壓輸出為圖3所示的整個(gè)電路供電。

圖3：將ADP5090能量收集功率管理器與用于自供電多通道數(shù)據(jù)采集模塊的ADC相結(jié)合。

要考慮的器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是內(nèi)部冷啟動(dòng)電路，它允許它在低至380 mV的輸入電壓下開(kāi)始工作。來(lái)自PV電池或TEG的能量在ENERGY_IN時(shí)引入，當(dāng)這超過(guò)380 mV時(shí)，ADP5090進(jìn)入冷啟動(dòng)狀態(tài)。然后器件退出冷啟動(dòng)，當(dāng)SYS電壓超過(guò)VSYS_TH(通常為1.93 V)時(shí)，主升壓使能。邏輯高電平(PGOOD)等于SYS電壓，因此當(dāng)達(dá)到電池端電壓時(shí)，主升壓充電器關(guān)閉。然后，這將為電路板上的其他設(shè)備提供電源流。

然而，根據(jù)所使用的儲(chǔ)能設(shè)備的類(lèi)型，可以進(jìn)行優(yōu)化，這些是由電阻器的比率提供的。某些引腳如圖4所示。這些比率需要針對(duì)不同的超級(jí)電容器和可充電電池進(jìn)行計(jì)算，以滿(mǎn)足更高或更低的能量需求，但參考電路為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)電池傳感器提供了出色的起點(diǎn)。/p>

圖4：ADP5090電源管理器的能量收集電路。

ADP5090升壓調(diào)節(jié)器以脈沖頻率模式工作(PFM )，將存儲(chǔ)在輸入電容器中的能量傳輸?shù)絊YS和一個(gè)50 mF，3.5 V超級(jí)電容器。 PGOOD閾值由外部連接器設(shè)置，表示SYS電壓處于可接受的電壓，如圖5b所示，其中RPG1和RPG2是圖4中的值.VREF_ADP5090通常為1.21 V。

ADP5090還配備了電池過(guò)充電和放電保護(hù)閾值，這些閾值也由外部電阻設(shè)置。為了防止過(guò)充電，電池端電壓的上升閾值如圖5b所示，其中RTERM1和RTERM2是圖4中的值。

圖5b ：保護(hù)電池免于過(guò)度充電和過(guò)度放電

為防止深度放電，電池放電關(guān)斷電壓的下降閾值如圖5c所示，其中RSD1和RSD2是圖4中的值。

圖5c：電池放電關(guān)閉的下降閾值以保護(hù)電路的其余部分

此參考設(shè)計(jì)無(wú)需外部電路電池為電路供電，CN-0372電路板使用超級(jí)電容為小型電子設(shè)備和無(wú)電池系統(tǒng)供電，可以放置在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的任何地方收集數(shù)據(jù)。添加可充電電池并改變電阻比以保護(hù)它可以為添加其他設(shè)備(如無(wú)線收發(fā)器模塊)提供更高的峰值電流。

圖6：ADI公司的EVAL-CN0372-PMDZ能量收集評(píng)估板

結(jié)論

使用評(píng)估板評(píng)估電能管理設(shè)備的能量收集是必不可少的工具，但仍有優(yōu)化工程師探索以獲得最有效的應(yīng)用解決方案?，F(xiàn)代電力管理器支持光伏電池或熱發(fā)電機(jī)從環(huán)境中獲取能量，評(píng)估板證明可以實(shí)現(xiàn)具有這種設(shè)備的無(wú)電池傳感器節(jié)點(diǎn)，以及具有電池的系統(tǒng)以支持更高的峰值電流要求。這為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)提供了更大的靈活性，而無(wú)需擔(dān)心電源供應(yīng)。