低功率是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵

引言

支持物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的無線傳感器在激增，這增大了對(duì)面向較低功率無線設(shè)備而定制的、小型、緊湊和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求。最近 IoT 市場(chǎng)中新出現(xiàn)的細(xì)分市場(chǎng)之一是可穿戴電子產(chǎn)品市場(chǎng)，從能量收集的角度來看，這個(gè)細(xì)分市場(chǎng)尤其令人感興趣。當(dāng)然，可穿戴技術(shù)不僅面向人類，還有很多應(yīng)用是面向動(dòng)物的。最近出現(xiàn)的例子包括超聲斑塊治療和電子馬鞍優(yōu)化以及針對(duì)其他動(dòng)物的頸圈，這類頸圈以各種方式完成跟蹤、識(shí)別和診斷等任務(wù)。不過，不管用于什么樣的最終應(yīng)用，這類產(chǎn)品大多數(shù)都需要一塊電池作為主電源，即使電池會(huì)用環(huán)境能源 (如果有環(huán)境能源可用) 加以補(bǔ)充。

不過，對(duì)面向人類的應(yīng)用而言，似乎不久就會(huì)有可用不同形式的環(huán)境能源發(fā)電的可穿戴面料，這類面料也許僅需要一個(gè)小型主電池作為備份電源。這種免費(fèi)能源包括體溫產(chǎn)生能量、室內(nèi)照明甚至黃昏日光產(chǎn)生的光伏電源、以及日常身體移動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能。稱呼這類面料制品的一個(gè)合適的詞也許是“電力套裝”!在這一研發(fā)領(lǐng)域處于前沿的一家公司正在實(shí)施歐盟資助的項(xiàng)目 Dephotex，這家公司已經(jīng)有辦法制造 (重量) 足夠輕、彈性足夠好的可穿戴光伏材料。這種材料會(huì)將光能轉(zhuǎn)換成電能，而電能又可用來給用戶穿戴的各種電子設(shè)備供電，或者用來給主電池充電，甚至既供電又充電。

類似地，在功率范圍的低端，對(duì)能量收集系統(tǒng)有毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如 IoT 設(shè)備 (想想谷歌眼鏡) 中常見的能量收集系統(tǒng)，在這類系統(tǒng)中，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。功率和電流可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

最新和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 技術(shù)，例如振動(dòng)能量收集產(chǎn)品以及室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這個(gè)量級(jí)的功率看似有限，但是能量收集組件在若干年內(nèi)持續(xù)工作可能意味著，無論從所提供的能量還是從單位能量的成本上來看，能量收集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命主電池都大致相若。此外，采用 能量收集 技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過，大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)用環(huán)境能源作為主電源，用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能源消失或中斷，就可以接入主電池。

解決方案

當(dāng)然，能量收集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長(zhǎng)時(shí)間。因此，能量收集電源的主要比較指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集電源的可用功率一般很低、可變及不可預(yù)測(cè)，所以常常使用連接收集器和輔助電源的混合型結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個(gè)存儲(chǔ)電容器 (甚至可能是超級(jí)電容器)。收集器由于能量供應(yīng)無限及功率不足而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲(chǔ)存庫或者是電池或者是電容器，產(chǎn)生較大的輸出功率，但存儲(chǔ)較少的能量，在需要時(shí)供電，否則定期從能量收集器接收電荷。因此，在沒有環(huán)境能源可供收集的時(shí)候，輔助電力儲(chǔ)存器必須用來給下游電子系統(tǒng)供電。

凌力爾特公司推出的一些電源轉(zhuǎn)換 IC 具備必要的功能和性能，使如此之低的收集能量能夠用于 IoT 應(yīng)用。

LTC3331 是一款完整的 EH 調(diào)節(jié)解決方案，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，以在可收集能源可用時(shí)延長(zhǎng)電池壽命。用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，在無負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，該器件僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高壓能量收集電源和一個(gè)同步降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電，為 IoT 設(shè)備、可穿戴產(chǎn)品以及無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 等能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出。

圖 1：LTC3331 能轉(zhuǎn)換多種能源，并可使用一個(gè)可再充電主電池

LTC3331 的能量收集電源由全波橋式整流器組成，適合 AC 或 DC 輸入以及高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性組件 (AC) 能源收集能量。10mA 分路器用收集的能量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能保護(hù)電池免于深度放電。可再充電電池給同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入范圍內(nèi)工作，在收集的能量不可用時(shí)用來調(diào)節(jié)輸出而無論輸入高于、低于或等于輸出。在應(yīng)對(duì)微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器擁有非常重要、不容忽視的電源管理功能。LTC3331 納入了對(duì)電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量收集電源有多余能量時(shí)才給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)，無法給目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)收集的能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這帶來了一個(gè)額外的好處，如果適合的能量收集電源至少在一半時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN 將工作壽命從 10 年延長(zhǎng)至超過 20 年，如果能量收集能源更加普遍存在，那么壽命甚至能夠延長(zhǎng)至更長(zhǎng)時(shí)間。該器件還集成了一個(gè)超級(jí)電容器平衡器，因此允許增大輸出存儲(chǔ)量。

既然可穿戴設(shè)備收集的能量非常低 (在納安至毫安量級(jí))，那么當(dāng)務(wù)之急是，任何 DC/DC 轉(zhuǎn)換都要消耗盡可能少的功率，以確保最佳能量傳輸。為了實(shí)現(xiàn)這么嚴(yán)格的目標(biāo)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器本身必須消耗納安量級(jí)的電流。正是出于這個(gè)原因，凌力爾特推出了 LTC3335，這是一款毫微功率降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，集成了庫侖計(jì)數(shù)器，面向 WSN 中的 IoT 產(chǎn)品、可穿戴設(shè)備、以及通用能量收集應(yīng)用 (參見圖 2)。

圖 2：LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用原理圖

LTC3335 是一款高效率、低靜態(tài)電流 (680nA) 轉(zhuǎn)換器。其集成的庫侖計(jì)數(shù)器監(jiān)視長(zhǎng)壽命電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量。這個(gè)計(jì)數(shù)器在內(nèi)部寄存器中存儲(chǔ)電池的累計(jì)放電量數(shù)字，該寄存器可通過 I2C 接口訪問。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器的輸入可在低至 1.8V 時(shí)工作，提供 8 個(gè)引腳可選輸出電壓，輸出電流高達(dá) 50mA。為了適合多種類型和尺寸的電池，峰值輸入電流的選擇范圍可以從低至 5mA 到高達(dá) 250mA，滿標(biāo)度庫侖計(jì)數(shù)器的可編程范圍為 32768:1。

無論何時(shí)，只要降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器向負(fù)載提供電流，該器件集成的精確庫侖計(jì)數(shù)器就記錄從電池傳送出的累計(jì)電荷量。當(dāng)未處于休眠模式時(shí)，降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器面向所有電池和輸出電壓情況作為 H 橋工作 (參見圖 3)。

圖 3：LTC3335 以 H 橋模式工作時(shí)的定時(shí)圖

開關(guān) A 和 C 在每個(gè)突發(fā)周期開始時(shí)接通。電感器電流斜坡上升至 Ipeak，然后開關(guān) A 和 C 斷開。接著，開關(guān) B 和 D 接通，直到電感器電流斜坡下降至零為止。這個(gè)周期一直重復(fù)，直至 Vout 達(dá)到休眠門限為止。如果 Ipeak 和開關(guān) AC(ON) 時(shí)間 (tAC) 都是已知的，那么 BAT 放電庫侖量 (圖 3 中的陰影區(qū)域) 可以通過對(duì) AC(ON) 周期計(jì)數(shù)并乘以每個(gè) AC(ON) 期間的電荷量來計(jì)算，每個(gè) AC(ON) 期間的電荷量由以下公式給出：

q AC(ON) = (Ipeak * tAC)/2

當(dāng)降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，LTC3335 測(cè)量相對(duì)于滿標(biāo)度 ON 時(shí)間 (tFS，約為 11.74µs) 的實(shí)際 AC(ON) 時(shí)間，滿標(biāo)度 ON 時(shí)間是內(nèi)部調(diào)節(jié)的，以補(bǔ)償電源、溫度和工藝變化導(dǎo)致的、實(shí)際選定的 Ipeak 值的誤差。這樣就可針對(duì)電池在每個(gè) AC(ON) 周期傳送出的電荷量產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的“測(cè)量值”。

結(jié)論

顯然，將有眾多 WSN、可穿戴產(chǎn)品和 IoT 產(chǎn)品需要毫微功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換和庫侖量計(jì)算，以確保這些產(chǎn)品的最佳性能和壽命。不過，直到不久前這類轉(zhuǎn)換產(chǎn)品才上市。由于有凌力爾特這樣的供應(yīng)商，所以毫微功率產(chǎn)品設(shè)計(jì)師將有大量可供選擇的轉(zhuǎn)換解決方案。