實(shí)現(xiàn)提高降壓轉(zhuǎn)換器的能量收集的解決方案

在某些能量收集應(yīng)用和操作條件下，壓電設(shè)備等傳感器可以產(chǎn)生遠(yuǎn)高于典型工作電平的高輸出電壓。在這些情況下，降壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器為最大化換能器功率輸出提供了簡(jiǎn)單的選擇。對(duì)于這些類型的高輸入電壓能源，工程師可以使用凌力爾特公司，Maxim Integrated公司和德州儀器公司等公司的可用降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)施高效的能量收集解決方案。

降壓轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)電感器以及一對(duì)電容器和開(kāi)關(guān)，設(shè)計(jì)使得任何時(shí)候只有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通。簡(jiǎn)單地說(shuō)，當(dāng)開(kāi)關(guān)A打開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)B閉合，反之亦然(圖1)。在操作中，開(kāi)關(guān)交替，使電流流到電感器或接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)A接通時(shí)，開(kāi)關(guān)B斷開(kāi)，電流從VIN流向電感器。當(dāng)開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)時(shí)，開(kāi)關(guān)B接通且電感器接地，因此存儲(chǔ)在電感器中的能量被釋放到負(fù)載中。

圖1：在典型降壓轉(zhuǎn)換器(A)的示意圖中，PWM控制器交替打開(kāi)和關(guān)閉一對(duì)開(kāi)關(guān)，以將電流IA驅(qū)動(dòng)到電感器或電流IB從電感到主負(fù)載調(diào)節(jié)(B)。 (由Analog Devices提供。)

在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)中，電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零，而在非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)中，電感電流可能降至零。使用FET的降壓轉(zhuǎn)換器(如圖1所示)稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器;非同步降壓轉(zhuǎn)換器使用肖特基二極管作為開(kāi)關(guān)B.由于FET具有比肖特基二極管更低的壓降，因此同步降壓轉(zhuǎn)換器通常更有效。

對(duì)于采用更高輸入電壓水平運(yùn)行的能量采集應(yīng)用，降壓轉(zhuǎn)換器提供了一種方便的解決方案，可最大限度地提高傳感器的功率輸出。具有線性源阻抗的高輸出電壓傳感器(如壓電器件)以特征功率曲線工作(圖2)。

圖2：具有恒定源阻抗的能量傳感器具有特征功率曲線，在負(fù)載阻抗與傳感器源阻抗匹配的點(diǎn)處具有最大功率輸出。 (由Cymbet提供。)

為了保持最大功率輸出，傳感器必須在與其源阻抗相匹配的負(fù)載阻抗下工作 - 工作電壓通常是器件開(kāi)路電壓的一半。然而，在實(shí)踐中，該操作點(diǎn)(稱為最大功率點(diǎn)(MPP))響應(yīng)于其操作環(huán)境的變化而變化，包括能量源性質(zhì)，溫度和壓電裝置本身的質(zhì)量負(fù)載的變化。

通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器，工程師可以通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和電感器大小來(lái)設(shè)置傳感器的負(fù)載阻抗，并通過(guò)改變占空比來(lái)動(dòng)態(tài)改變它，以保持壓電器件的最大功率輸出。結(jié)合全波整流橋，同步轉(zhuǎn)換器可以從壓電裝置產(chǎn)生的交流電壓中提取最大能量，因?yàn)樗谶h(yuǎn)離其中性點(diǎn)的兩個(gè)方向上偏轉(zhuǎn)。

電感的選擇是降壓轉(zhuǎn)換器正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題。通常，工程師可以從制造商的數(shù)據(jù)表中找到特定的推薦電感尺寸或尺寸范圍。對(duì)于其LTC3632同步降壓轉(zhuǎn)換器，凌力爾特公司建議根據(jù)下面的公式1設(shè)置電感值，受公式2的約束。

可用的降壓轉(zhuǎn)換器，如Maxim Integrated MAX638，Linear Technology LTC3632，Linear Technology LTC3388和Texas Instruments TPS62120，提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案，可將輸入電壓降至典型工作電壓水平(圖3)。

圖3：可用的降壓轉(zhuǎn)換器需要很少的外部元件。除了電感器和電容器對(duì)之外，凌力爾特公司LTC3632等設(shè)備還使用一對(duì)電阻作為其反饋控制環(huán)路的一部分。 (由Linear Technology提供。)

除了典型的電容器和電感器外，這類降壓轉(zhuǎn)換器通常使用一對(duì)電阻器來(lái)降低輸出電流，以便與片上電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較 - 800 mV就LTC3632而言。對(duì)于LTC3632，如果VFB的電壓大于參考電壓，比較器將激活休眠模式，其中電源開(kāi)關(guān)和電流比較器被禁用，從而將VIN電源電流降至僅12μA。

德州儀器(TI)TPS62120是一款用于能量采集應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器，支持2至15 V的輸入電壓范圍，同時(shí)提供高達(dá)75 mA的輸出電流。與Linear LTC3632類似，TI TPS62120使用片上800 mV基準(zhǔn)電壓源切換到低功耗睡眠模式。為了在輕負(fù)載條件下保持高效率，TI轉(zhuǎn)換器采用遲滯PFM/PWM控制器方案，器件在高負(fù)載時(shí)工作在PWM模式，并在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換到PFM模式，其中VIN僅消耗10μA靜態(tài)電流。除了保持不同負(fù)載的效率之外，使用這種PFM/PWM方案還允許使用陶瓷電容器，這種電容器具有低串聯(lián)電阻并導(dǎo)致低輸出電壓紋波。

凌力爾特公司LTC3588-1專門設(shè)計(jì)用作壓電能量采集電源，擴(kuò)展了Linear LTC3388降壓穩(wěn)壓器，具有專門的片上功能。 LTC3588-1集成了低損耗全波橋式整流器和降壓轉(zhuǎn)換器，可提供完整的壓電能源，僅具有降壓轉(zhuǎn)換器所需的常用外部元件(圖4)。

圖4：線性LTC3588-1將全波橋式整流器與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，提供完整的壓電能量采集電源，只需少量外部電源組件。 (由Linear Technology提供。)

LTC3588-1能夠在多個(gè)可選輸出電壓下提供高達(dá)100 mA的連續(xù)輸出功率，具有靜態(tài)電流欠壓鎖定(UVLO)模式和寬滯后窗口。在UVLO模式下，LTC3588-1僅消耗450 nA電流，允許電荷累積在輸入電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將一部分存儲(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移到輸出。在調(diào)節(jié)方面，LTC3588-1進(jìn)入950 nA低功耗狀態(tài)，根據(jù)需要接通和關(guān)斷降壓轉(zhuǎn)換器以維持穩(wěn)壓。

結(jié)論

降壓轉(zhuǎn)換器為具有高輸入電壓電平的專業(yè)能量收集應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單的解決方案?？捎玫慕祲恨D(zhuǎn)換器通常僅需要一對(duì)電容器和電感器來(lái)實(shí)現(xiàn)有效的DC/DC轉(zhuǎn)換器?？捎媒祲恨D(zhuǎn)換器的專用版本提供高度集成的解決方案，用于構(gòu)建由壓電設(shè)備供電的高效能量收集電路。