能量收集應(yīng)用無(wú)處不在
背景與歷史
能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)超過(guò) 10 年了，然而在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，由環(huán)境能源供電的系統(tǒng)一直很笨重、復(fù)雜和昂貴。不過(guò)，有些市場(chǎng)已經(jīng)成功地采用了能量收集方法，如交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)和樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)。尤其是在樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中，諸如占位傳感器、自動(dòng)調(diào)溫器甚至光控開(kāi)關(guān)等，以前安裝時(shí)通常使用的電源或控制配線，現(xiàn)在已經(jīng)不需要了，取而代之是，它們采用了局部能量收集系統(tǒng)。
能量收集系統(tǒng)的一個(gè)主要應(yīng)用是樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器。為方便說(shuō)明，我們考慮一下美國(guó)能源使用的分布情況。建筑物每年都是能源生產(chǎn)的頭號(hào)用戶，約占總能耗的 38%，緊隨其后的是交通運(yùn)輸和工業(yè)領(lǐng)域，各占總能耗的 28%。此外，建筑物可以進(jìn)一步分成商用建筑和民用建筑，在這 38% 的能耗中，分別分得 17% 和 21%。而民用建筑 21% 的能耗數(shù)字還可以進(jìn)一步劃分，其中取暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 約占民用建筑總能耗的 3/4。目前預(yù)計(jì)，從 2003 年到 2030 年，能源使用量將翻一番，依此推算，采用樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)可以節(jié)省多達(dá) 30% 的能源 (數(shù)據(jù)來(lái)源：“全球能源、科技和氣候政策展望 (WETO)”，由歐盟多個(gè)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合撰寫(xiě))。
類似地，一個(gè)采用能量收集方法的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以將一棟大樓中任何數(shù)量的傳感器連接起來(lái)，以在非主要區(qū)域的大樓或房間中沒(méi)人時(shí)，調(diào)節(jié)該區(qū)域的溫度或關(guān)掉該區(qū)域的照明燈，從而降低 HVAC 和電力費(fèi)用。此外，能量收集電子線路的成本常常低于布設(shè)電源線的成本或更換電池所需的日常維護(hù)成本，因此用收集的能量供電之方法，顯然有經(jīng)濟(jì)收益。
不過(guò)，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要自己的外部電源，那么很多無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就失去了優(yōu)勢(shì)。盡管電源管理技術(shù)確實(shí)在持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)使電子電路能在給定電源情況下工作更長(zhǎng)時(shí)間，但這是有限度的，而用收集的能量供電提供了一種補(bǔ)充方法。因此，能量收集通過(guò)將局部環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成可用的電能，成為一種給無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)供電的方法。環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送 RF 信號(hào)或能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的任何能源。這些能源在我們周?chē)教幎际?，利用合適的換能器，如面向溫差的熱電發(fā)生器 (TEG)、面向振動(dòng)的壓電組件、面向太陽(yáng)光 (或室內(nèi)照明光) 的光伏電池等，可將這些能源轉(zhuǎn)換成電能，甚至可以利用潮濕氣體產(chǎn)生的電能。這些所謂的“免費(fèi)”能源可用來(lái)自主地給電子組件和系統(tǒng)供電。
現(xiàn)在所有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都能以微瓦級(jí)平均功率工作，因此用非傳統(tǒng)電源給它們供電是可行的。這導(dǎo)致了能量收集的出現(xiàn)，在使用電池不方便、不現(xiàn)實(shí)、昂貴或危險(xiǎn)的系統(tǒng)中，可用能量收集提供的電力給電池充電、補(bǔ)充或代替電池。用收集的能量供電，還可以不再需要導(dǎo)線來(lái)供電或傳送數(shù)據(jù)。此外，工業(yè)過(guò)程、太陽(yáng)能電池板或內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的能量也可以收集起來(lái)使用，否則就浪費(fèi)掉了。
能量收集應(yīng)用的問(wèn)題和特性
一個(gè)典型的能量收集配置或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 由 4 個(gè)方框組成 (參見(jiàn)圖 1)。它們是：1) 環(huán)境能源；2) 換能器組件和給下游電子組件供電的電源轉(zhuǎn)換電路；3) 將該節(jié)點(diǎn)連接到現(xiàn)實(shí)世界的檢測(cè)組件和計(jì)算組件 (由微處理器或微控制器組成，處理測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到存儲(chǔ)器中)；4) 由短程無(wú)線單元組成的通信組件，實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無(wú)線通信。
環(huán)境能源的例子包括：連接到 HVAC 管道等發(fā)熱源的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆；或者連接到諸如窗玻璃等機(jī)械振動(dòng)源的壓電換能器。在熱源情況下，一個(gè)緊湊型熱電器件 (常稱為換能器) 可將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在存在機(jī)械振動(dòng)或壓力的情況下，壓電器件可用來(lái)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。
一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由能量收集電路轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，以給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數(shù)或測(cè)量值，然后讀數(shù)或測(cè)量值可由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器傳送。
圖 1：一個(gè)典型的能量收集系統(tǒng)或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的主要組成方框圖
有幾種因素影響無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)能量收集系統(tǒng)的功耗特性。表 1 概述了這些因素。
表 1：影響無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的因素
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)輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器由于其無(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)存器給 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)境能量源的情況下提供補(bǔ)償，應(yīng)在輔助儲(chǔ)存器中存儲(chǔ)多少能量?”究竟需要儲(chǔ)存多少能量將取決于諸多因素，包括：
1. 缺乏環(huán)境能量源的時(shí)間長(zhǎng)度
2. WSN 的占空比 (即數(shù)據(jù)讀取和傳輸操作必須具備的頻率)
3. 輔助儲(chǔ)存器 (電容器、超級(jí)電容器或電池) 的大小和類型
4. 是否可提供既能充當(dāng)主能量源、同時(shí)又擁有充分剩余能量 (用于當(dāng)其在某些特定時(shí)段內(nèi)不可用時(shí)為輔助電能儲(chǔ)存器充電) 的足夠環(huán)境能量?
最先進(jìn)和現(xiàn)成有售的能量收集技術(shù) (例如振動(dòng)能量收集和室內(nèi)光伏技術(shù)) 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。此外，采用能量收集的系統(tǒng)一般能在電能耗盡后再充電，而這一點(diǎn)主電池供電的系統(tǒng)是做不到的。
正如已經(jīng)討論的那樣，環(huán)境能源包括光、溫差、振動(dòng)波束、已發(fā)送的 RF 信號(hào)，或者其他任何能通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。下面的表 2 說(shuō)明了從不同能源可產(chǎn)生多少能量。
表 2：能源以及它們可產(chǎn)生多少能量
要成功設(shè)計(jì)一款完全獨(dú)立的無(wú)線傳感器系統(tǒng)，需要現(xiàn)成的節(jié)電型微控制器和換能器，并要求這些器件消耗最小和來(lái)自低能量環(huán)境的電能。幸運(yùn)的是，低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年左右了，不過(guò)只是在最近，超低功率收發(fā)器才投入商用。然而，在這一系列環(huán)節(jié)中，處于落后的一直是能量收集器?，F(xiàn)有的能量收集器模塊實(shí)現(xiàn)方案 (如圖 1 所示) 往往采用低性能和復(fù)雜的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括 30 個(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流高。這兩個(gè)不足之處均導(dǎo)致最終系統(tǒng)的性能受損。低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時(shí)間，反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔。高靜態(tài)電流則對(duì)能量收集源的輸出能達(dá)到的最低值有所限制，因?yàn)樗仨毷紫忍峁┳约汗ぷ魉璧碾娏鳎喑鰜?lái)的功率才能提供給輸出。正是在能量收集器這個(gè)領(lǐng)域，凌力爾特公司最近推出的產(chǎn)品 LTC3109、LTC3588-1 和 LTC3105 使性能和簡(jiǎn)單性上提升到一個(gè)新水平。這些能量收集 IC 所帶來(lái)的新性能水平是采用分立式方案完全無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此，它們由于能夠收集非常低的環(huán)境能量而成為了推動(dòng)能量收集系統(tǒng)制造商成長(zhǎng)的“催化劑”。憑借這種性能水平，再加上換能器、微控制器、傳感器和收發(fā)器經(jīng)濟(jì)合算的價(jià)位，使其市場(chǎng)接受度得以提升。這也是此類系統(tǒng)在全球范圍的眾多應(yīng)用中受到大量關(guān)注的原因之一。
一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的例子：“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”
今天，大型機(jī)群的結(jié)構(gòu)性疲勞是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，因?yàn)槿绻鲆曉搯?wèn)題，就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果。目前，飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀況是通過(guò)多種檢查方法來(lái)監(jiān)視的，如通過(guò)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)化分析和跟蹤方法，通過(guò)采用評(píng)估結(jié)構(gòu)完整性的創(chuàng)新理念 … 等等。這些方法有時(shí)又統(tǒng)稱為“飛機(jī)健康狀況監(jiān)視”方法。在飛機(jī)健康狀況監(jiān)視過(guò)程中，采用了傳感器、人工智能和先進(jìn)的分析方法以實(shí)時(shí)進(jìn)行連續(xù)的健康狀況評(píng)估。
聲發(fā)射檢測(cè)是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的領(lǐng)先方法。這種方法可以方便地用來(lái)診斷合成型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損壞。一個(gè)顯然的要求是，以簡(jiǎn)單的“通過(guò)”、“未通過(guò)”形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即采取維修行動(dòng)。這種檢測(cè)方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平檢測(cè)傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過(guò)三角定位能夠定位裝載了傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動(dòng)。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲(chǔ)和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。
因此，無(wú)線傳感器模塊常常嵌入到飛機(jī)的各種不同部分，例如機(jī)翼或機(jī)身，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，不過(guò)為這些傳感器供電可能很復(fù)雜。因此，如果以無(wú)線方式供電或者甚至自助供電，那么這些傳感器模塊就可以更方便地使用，效率也更高。在飛機(jī)環(huán)境中，存在很多“免費(fèi)”能源，可用來(lái)給這類傳感器供電。兩種顯然和可以方便地利用的方法是熱能收集和/或壓電能收集。
在典型的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)情況下，其溫度可能在幾百 ºC 到 1,000ºC 甚至 2,000ºC的范圍內(nèi)變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機(jī)械能 (燃燒和發(fā)動(dòng)機(jī)推力) 的形式損失了，但是仍然有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應(yīng)是將熱量轉(zhuǎn)換成電功率的根本熱力學(xué)現(xiàn)象，那么要考慮的主要方程是：
P = ηQ
其中 P 是電功率，Q 是熱量，η 是效率。
較大的熱電發(fā)生器 (TEG) 使用更多熱量 (Q)，產(chǎn)生更多功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉(zhuǎn)換器自然產(chǎn)生兩倍的功率，因?yàn)樗鼈兛梢垣@取兩倍的熱量。較大的熱電發(fā)生器通過(guò)串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過(guò)，盡管這樣可以在溫度變化時(shí)產(chǎn)生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻的增大限制了可提供給負(fù)載的功率。因此，視應(yīng)用需求的不同而有所不同，有時(shí)使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器而不是使用較大的熱電發(fā)生器會(huì)更好。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用熱電發(fā)生器產(chǎn)品。
通過(guò)給一個(gè)組件施加壓力，可以產(chǎn)生壓電，而壓電反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生一個(gè)電位。壓電效應(yīng)是可逆的，展現(xiàn)正壓電效應(yīng) (當(dāng)加上壓力時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)電位) 的材料也展現(xiàn)反壓電效應(yīng) (當(dāng)加上一個(gè)電場(chǎng)時(shí)，產(chǎn)生壓力和/或應(yīng)力)。
為了優(yōu)化壓電換能器，需要確定壓電源的振動(dòng)頻率和位移特性。一旦確定了這些電平，壓電元件制造商就能夠設(shè)計(jì)一款壓電元件，以機(jī)械的方式將其調(diào)諧至特定的振動(dòng)頻率，并確定其尺寸以提供所需的功率量。壓電材料中的振動(dòng)將觸發(fā)正壓電效應(yīng)，從而導(dǎo)致電荷積聚在器件的輸出電容上。積累的電荷通常相當(dāng)少，因此 AC 開(kāi)路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級(jí)。既然每次撓曲產(chǎn)生的電荷量相對(duì)較少，那么有必要對(duì)這個(gè) AC 信號(hào)進(jìn)行全波整流，并在一個(gè)輸入電容器上逐周期積累電荷。
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問(wèn)題。不過(guò)，不管選擇哪一種方法，這兩種方法都是可行和現(xiàn)實(shí)的解決方案，可以非常方便地與現(xiàn)有技術(shù)一起使用。下表總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：
注 1：在飛機(jī)中獲得溫度差的最佳途徑是，
獲取飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)“皮”溫度與機(jī)艙內(nèi)部溫度之差。
能量收集電源轉(zhuǎn)換 IC
LTC3109 是一種高度集成的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電源管理器。它能從諸如 TEG (熱電發(fā)生器)、熱電堆甚至小型太陽(yáng)能電池等極低的輸入電壓源收集和管理多余的能量。其獨(dú)特的專有自動(dòng)極性拓?fù)湓试S該器件用低至 30mV 的輸入電源工作，而不管電源極性如何。
圖 2：LTC3109 的典型應(yīng)用原理圖
上面的電路用兩個(gè)緊湊型升壓變壓器來(lái)提高 LTC3109 輸入電壓源的電壓，然后該器件為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。它能收集小的溫度差，不用傳統(tǒng)的電池電源，就能產(chǎn)生系統(tǒng)電源。
就低至 30mV 的輸入電壓而言，推薦使用主-副匝數(shù)比約為 1:100 的變壓器。就更高的輸入電壓而言，可用更低的匝數(shù)比來(lái)獲得更大的輸出功率。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)成有售的組件，而且諸如 Coilcraft 等磁性元件供應(yīng)商可穩(wěn)定供貨。
LTC3109 采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來(lái)解決復(fù)雜問(wèn)題。它轉(zhuǎn)換低壓源，并管理多個(gè)輸出之間的能量。用 LTC3109 外部的充電泵電容器和內(nèi)部的整流器對(duì)每個(gè)變壓器副端繞組上產(chǎn)生的 AC 電壓升壓并整流。該整流器電路將電流饋送進(jìn) VAUX 引腳，從而向外部 VAUX 電容器、然后是其他輸出供電。
內(nèi)部 2.2V LDO 可以支持低功率處理器或其他低功率 IC。該 LDO 由 VAUX 和 VOUT 二者之間較高的一個(gè)供電。這使它能在 VAUX 一充電到 2.3V 就能有效運(yùn)行，同時(shí) VOUT 存儲(chǔ)電容器仍然在充電。倘若 LDO 輸出上有階躍負(fù)載，那么如果 VAUX 降至低于 VOUT，電流就可能來(lái)自主 VOUT 電容器。該 LDO 能提供 3mA 輸出電流。
VSTORE 電容器也許值非常大 (數(shù)千微法甚至數(shù)法拉)，以在輸入電源可能掉電時(shí)保持供電。一旦加電完成，那么主輸出、備份輸出 和開(kāi)關(guān)輸出都可用。如果輸入電源發(fā)生故障，那么仍然可以利用 VSTORE 電容器的供電繼續(xù)運(yùn)行。
LTC3588-1 是一款完整的能量收集解決方案，為包括壓電換能器在內(nèi)的低能量電源而優(yōu)化。壓電器件通過(guò)器件的擠壓或撓曲產(chǎn)生能量。視尺寸和構(gòu)造的不同而不同，這些壓電元件可以產(chǎn)生數(shù)百 uW/cm2 的能量。
圖 3：LTC3588 的典型應(yīng)用原理圖
應(yīng)該提到的是，壓電效應(yīng)是可逆的，即展現(xiàn)直接壓電效應(yīng) (一加上壓力就產(chǎn)生電位) 的材料也展現(xiàn)反向壓電效應(yīng) (一加上電壓就產(chǎn)生壓力和/或應(yīng)力，即撓曲)。
LTC3588-1 在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，從而非常適用于多種壓電換能器以及其他高輸出阻抗能源。其高效率降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供高達(dá) 100mA 的連續(xù)輸出電流或者甚至更高的脈沖負(fù)載。其輸出可以設(shè)定為 4 個(gè)固定電壓 (1.8V、2.5V、3.3V 或 3.6V) 之一，以給無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電。輸出處于穩(wěn)定狀態(tài) (無(wú)負(fù)載) 時(shí)，靜態(tài)電流僅為 950nA，從而最大限度地提高了總體效率。
LTC3588-1 用來(lái)直接與壓電或可替代高阻抗 AC 電源連接、給電壓波形整流以及在外部存儲(chǔ)電容器中儲(chǔ)存收集到的能量，同時(shí)通過(guò)一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器消耗過(guò)多的功率。具 1V 至 1.4V 遲滯窗口的超低靜態(tài)電流 (450nA) 欠壓閉鎖 (ULVO) 模式使電荷能在存儲(chǔ)電容器上積累，直到降壓型轉(zhuǎn)換器能高效率地將部分儲(chǔ)存的電荷傳送到輸出為止。
LTC3105 是一款超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和 LDO，專門(mén)用來(lái)極大地簡(jiǎn)化從低壓、高阻抗可替換電源收集和管理能量的任務(wù)，如光伏電池、熱電發(fā)生器 (TEG)、燃料電池等電源。其同步升壓型設(shè)計(jì)以低至 250mV 的輸入電壓?jiǎn)?dòng)，從而使該器件非常適用于在不夠理想的照明條件下，從甚至最小的光伏電池收集能量。其 0.2V 至 5V 的寬輸入電壓范圍使該器件成為多種應(yīng)用的理想選擇。集成的最大功率點(diǎn)控制器 (MPPC) 使 LTC3105 能抽取電源能所提供的最大可用功率。如果沒(méi)有 MPPC，電源能產(chǎn)生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動(dòng)調(diào)節(jié)，以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流降至僅為 22uA，從而最大限度地降低了能量?jī)?chǔ)存元件的漏電流。超低 IQ LDO 能直接給流行的低功率微控制器或傳感器電路供電。如果沒(méi)有 MPPC，電源轉(zhuǎn)換器能產(chǎn)生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動(dòng)調(diào)節(jié)，以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)突發(fā)模式 (Burst Mode®) 工作將靜態(tài)電流減小至僅為 22μA，從而最大限度地降低了能量?jī)?chǔ)存元件的漏電流。超低 IQ LDO 能直接給常用的低功率微控制器或傳感器電路供電。
圖 4 所示電路采用了 LTC3105，用單節(jié)光伏電池給單節(jié)鋰離子電池充電。在太陽(yáng)能能源可用時(shí)，該電路能使電池連續(xù)充電，而當(dāng)太陽(yáng)能能源不再可用時(shí)，電池能用儲(chǔ)存的能量給應(yīng)用供電。
圖 4：利用單節(jié)光伏電池的鋰離子電池涓流充電器
LTC3105 能以低至 250mV 的電壓?jiǎn)?dòng)。在啟動(dòng)時(shí)，AUX 輸出最初在同步整流器禁止的情況下充電。一旦 VAUX 達(dá)到約 1.4V，該轉(zhuǎn)換器就離開(kāi)啟動(dòng)模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。最大功率點(diǎn)控制在啟動(dòng)時(shí)不使能，不過(guò)，電流從內(nèi)部限制到足夠低的水平，以允許靠電流非常小的輸入電源啟動(dòng)。盡管該轉(zhuǎn)換器處于啟動(dòng)模式，但是 AUX 和 VOUT 之間的內(nèi)部開(kāi)關(guān)仍然保持禁止，而且 LDO 也是不采用。參見(jiàn)圖 5 所示典型啟動(dòng)時(shí)序舉例。
當(dāng) VIN 或 VAUX 高于 1.4V 時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器繼續(xù)給 AUX 輸出充電，直到 LDO 輸出進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)為止。一旦 LDO 輸出進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器就開(kāi)始給 VOUT 引腳充電。VAUX 仍然保持足夠高的值，以確保 LDO 處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果 VAUX 高于保持 LDO 穩(wěn)定所需的值，那么就從給 AUX 輸出充電轉(zhuǎn)變?yōu)榻o VOUT 輸出充電。如果 VAUX 下降太多，那么電流就重新流向 AUX 輸出，而不是用來(lái)給 VOUT 輸出充電。一旦 VOUT 上升到高于 VAUX，就啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)，以將這兩個(gè)輸出連接到一起。
如果 VIN 高于被驅(qū)動(dòng)的輸出 (VOUT 或 VAUX) 上的電壓，或被驅(qū)動(dòng)的輸出低于 1.2V，那么同步整流器就禁止，并以關(guān)鍵的傳導(dǎo)模式工作，從而甚至在 VIN > VOUT 時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。
如果輸出電壓高于輸入電壓并高于 1.2V 時(shí)，那么同步整流器就啟動(dòng)。在這種模式時(shí)，SW 和 GND 之間的 N 溝道 MOSFET 啟動(dòng)，直到電感器電流達(dá)到峰值電流限制為止。一旦達(dá)到電流限制，N 溝道 MOSFET 就關(guān)斷，SW 和被驅(qū)動(dòng)輸出之間的 P 溝道 MOSFET 就啟動(dòng)。該開(kāi)關(guān)一直保持接通，直到電感器電流降至低于谷值電流限制為止，然后重復(fù)該周期。當(dāng) VOUT 達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，連接到 SW 引腳的 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 都禁止，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入休眠狀態(tài)。
圖 5：典型的 LTC3105 啟動(dòng)時(shí)序
為了給微控制器和外部傳感器供電，一個(gè)集成的 LDO 提供穩(wěn)定的 6mA 軌。該 LDO 由 AUX 輸出供電，從而允許該 LDO 在主輸出仍然在充電時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。LDO 的輸出電壓可以是固定的 2.2V，或可通過(guò)電阻器分壓器調(diào)節(jié)。
集成的最大功率點(diǎn)控制電路允許用戶為給定電源設(shè)定最佳輸入電壓工作點(diǎn)，參見(jiàn)圖 6。MPPC 電路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電感器的平均電流，以防止輸入電壓降至低于 MPPC 門(mén)限。當(dāng) VIN 高于 MPPC 電壓時(shí)，電感器電流增大，直到 VIN 被拉低至 MPPC 設(shè)定點(diǎn)為止。如果 VIN 低于 MPPC 電壓，那么電感器電流就減小，直到 VIN 升高到 MPPC 設(shè)定點(diǎn)為止。
圖 6： 面向單節(jié)光伏電池的典型最大功率點(diǎn)控制點(diǎn)
LTC3105 納入了在輕負(fù)載時(shí)最大限度地提高效率的功能，同時(shí)，通過(guò)將電感器峰值和谷值電流作為負(fù)載的函數(shù)加以調(diào)節(jié)，還在重負(fù)載時(shí)增強(qiáng)了提供功率的能力。在輕負(fù)載時(shí)，將電感器峰值電流降至 100mA，可降低傳導(dǎo)損耗，從而優(yōu)化了效率。隨著負(fù)載增加，電感器峰值電流自動(dòng)提高至 400mA (最大值)。當(dāng)在中等負(fù)載時(shí)，電感器峰值電流可能在 100mA 至 400mA 之間變化。上述功能的優(yōu)先級(jí)低于 MPPC 功能，并僅當(dāng)電源提供的功率超過(guò)負(fù)載所需時(shí)才起作用。
在諸如光伏轉(zhuǎn)換之類的應(yīng)用中，輸入電源也許長(zhǎng)時(shí)間不存在。為了在這類情況下防止輸出放電，LTC3105 納入了欠壓閉鎖 (UVLO) 功能，如果輸入電壓降至低于 90mV (典型值)，那么該功能就強(qiáng)制轉(zhuǎn)換器進(jìn)入停機(jī)模式。在停機(jī)模式，連接 AUX 和 VOUT 的開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，LDO 置于反向隔離模式，流進(jìn) VOUT 的電流降至 4uA (典型值)。在停機(jī)模式，通過(guò) LDO 的反向電流限于 1uA，以最大限度地減輕輸出放電。
結(jié)論
由于擁有模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)的人員在全球范圍內(nèi)都處于短缺的局面，因此要設(shè)計(jì)出如圖 1 所示的高效能量收集系統(tǒng)一直是很困難的事。面臨的主要障礙是與遠(yuǎn)程無(wú)線感測(cè)相關(guān)聯(lián)的電源管理。不過(guò)，隨著LTC3105、LTC3109 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況即將完全改變。這些器件能夠從幾乎所有的光源、熱源或機(jī)械振動(dòng)源提取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，它們還極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于 WSN 設(shè)計(jì)師而言這是個(gè)好消息，因?yàn)槠涓呒啥?(包括電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件) 使之成為目前市面上最小、最簡(jiǎn)單和易于使用的解決方案。
因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)規(guī)劃師必須從一開(kāi)始就優(yōu)先滿足電源管理需求，以確保高效率的設(shè)計(jì)和成功的長(zhǎng)期部署。幸運(yùn)的是，領(lǐng)先的高性能模擬 IC 制造商現(xiàn)在提供越來(lái)越多的能量收集電源管理 IC，從而極大地簡(jiǎn)化了此項(xiàng)任務(wù)。
下載文檔
