低功率設(shè)計 —— 多低才算足夠低?

背景信息

便攜式電源應(yīng)用多種多樣，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級的無線傳感器節(jié)點 (WSN) 到采用數(shù)百瓦-時電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)有盡有。不過，盡管應(yīng)用多種多樣，仍然能夠總結(jié)出幾種趨勢：設(shè)計師繼續(xù)要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來越多的功能;用任何可用電源給電池充電。第一種趨勢要求增大電池容量。不幸的是，用戶常常不夠耐心，不能容忍充電時間太長，所以容量增大的同時，充電時間必須仍然保持合理，這就導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢要求電池充電解決方案具有極大的靈活性。本文將詳盡地探討這些問題。

看一下新式手持式設(shè)備，面向消費者的設(shè)備和工業(yè)設(shè)備都有可能包含蜂窩手機調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大型背光照明顯示器等等。很多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)與蜂窩手機類似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因為這類電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過去，很多高功率設(shè)備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著低價 5V 電源管理 IC 的上市，越來越多的手持式設(shè)備采用了更低電壓架構(gòu)。平板電腦很好地說明了這一點。一個典型的平板電腦具有很多功能，同時采用非常大 (就便攜式設(shè)備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時，容量必須達到數(shù)千毫安-時，例如 2200mAh。為了在數(shù)小時內(nèi)完成這種電池的充電，需要數(shù)千毫安充電電流。

然而，充電電流這么大的同時，如果大電流交流適配器不可用，消費者還可能要求用 USB 端口給大功率設(shè)備充電。為了滿足這些要求，在交流適配器可用時，電池充電器必須能夠以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能夠高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護敏感的下游低壓組件，使其避免過壓事件導(dǎo)致的損壞，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)到負載，同時最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來了極好的機會，他們可以開發(fā)安全管理電池充電算法、監(jiān)視關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的 IC。

在電源應(yīng)用領(lǐng)域的另一端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換要求，例如 WSN 中常見的能量收集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC，以處理非常低的功率和電流，可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

能量收集 WSN

我們周圍有大量環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過，新的收集工具允許我們用種類繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而較重要的是用來供電之“平均收集得到的”能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)換成電力，壓電組件轉(zhuǎn)換機械振動，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽光 (或任何光源)，通過化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件將潮氣轉(zhuǎn)換成電能。這樣就有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無需本地電源而接受遠程供電。

一般而言，能進入并用于非傳統(tǒng)能源市場的 IC 所必需的性能和特性包括以下各項：

§ 低備用靜態(tài)電流，典型值低于 6µA，可低至 450nA

§ 低啟動電壓，低至 20mV

§ 接受高輸入電壓的能力，高達 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

§ 能夠處理 AC 輸入

§ 多輸出能力和自主系統(tǒng)電源管理

§ 自動極性運行

§ 針對太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)

§ 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

§ 需要最少的外部組件，解決方案占板面積緊湊

WSN 基本上是一種自含式系統(tǒng)，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號，其后跟著的通常是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。[!--empirenews.page--]

在實現(xiàn) WSN 時，需要考慮的一個問題是：運行這個 WSN 需要多少功率?從概念上看，這似乎是一個相當(dāng)簡單的問題，然而實際上，由于受到若干因素的影響，這是一個有點難以回答的問題。例如，需要間隔多長時間獲取一次讀數(shù)?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大?需要傳送多遠? 這是因為，獲取一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有 50% 是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。

當(dāng)然，能量收集電源提供的能量多少取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低，隨時變化且不可預(yù)測，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲存器的混合架構(gòu)。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統(tǒng)的能源。輔助電力儲存器 (電池或電容器) 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲存較少的能量，在需要時供電，除此之外定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有可從其收集能量的環(huán)境能源時，必須用輔助電力儲存器給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計師的角度來看，這進一步增加了復(fù)雜性，因為他們現(xiàn)在必須考慮，必須在輔助電力儲存器中儲存多少能量，才能補償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲存多少能量，取決于幾個因素，包括：

(1) 環(huán)境能源不存在的時間。

(2) WSN 占空比 (即讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的頻度)。

(3) 輔助電力儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的尺寸和類型。

(4) 環(huán)境能源是否足夠? 即既能充當(dāng)主能源，又有足夠的富余能量給輔助電力儲存器充電，以當(dāng)環(huán)境能源在某些規(guī)定時間內(nèi)不可用時，給系統(tǒng)供電。

環(huán)境能源包括光、熱差、振動波束、發(fā)送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表 1 說明了不同能源能夠產(chǎn)生的能量大小。

表 1：能源及其產(chǎn)生的能量大小

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一款毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 可獲得的能量很低。這又意味著，該系統(tǒng)中所用組件必須能夠應(yīng)對這種低功率情況。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個問題，但是在電源轉(zhuǎn)換方面仍然存在空白。不過，凌力爾特推出了 LTC3388-1 / LTC3388-3，以專門應(yīng)對這種需求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款 20V 輸入、同步降壓型轉(zhuǎn)換器，可提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，參見圖 1 所示原理圖。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，適用于多種能量收集和電池供電應(yīng)用，包括 “保持有效” 的電源和工業(yè)控制電源。

圖 1：LTC3388-1 / LTC3388-3 典型應(yīng)用原理圖

LTC3388-1 / LTC3388-3 運用遲滯同步整流方法，以在很寬的負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。該器件在 15uA 至50mA 負載范圍內(nèi)可提供超過 90% 的效率，且僅需要 400nA 靜態(tài)電流，從而使其能夠延長電池壽命。該器件采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10 封裝)，僅需要 5 個外部組件，可為種類繁多的低功率應(yīng)用組成非常簡單和占板面積很緊湊的解決方案。

LTC3388-1 / LTC3388-3 提供準確的欠壓閉鎖 (ULVO) 功能，以在輸入電壓降至低于 2.3V 時禁止轉(zhuǎn)換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為 400nA。一旦進入穩(wěn)定狀態(tài) (無負載時)，LTC3388-1 / LTC3388-3 就進入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達到僅為 720nA。然后，該降壓型轉(zhuǎn)換器按需接通和斷開，以保持輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸出在持續(xù)時間很短的負載 (例如無線調(diào)制解調(diào)器，這類負載要求低紋波) 情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)時，另一種備用模式禁止切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設(shè)計適用于能量收集等多種應(yīng)用，這類應(yīng)用需要長充電周期，同時以短突發(fā)負載為傳感器和無線調(diào)制解調(diào)器供電。

結(jié)論

盡管便攜式應(yīng)用和能量收集系統(tǒng)正常工作時功率大小差異很大，從數(shù)微瓦直至高于 1W，但是有很多電源轉(zhuǎn)換 IC 可供系統(tǒng)設(shè)計師選擇。不過，在需要轉(zhuǎn)換毫微安電流的較低功率情況下，選擇變得有限了。

幸運的是，LTC3388-1 / LTC3388-3 單片降壓型轉(zhuǎn)換器的極低靜態(tài)電流使該器件非常適用于低功率應(yīng)用。低于 1µA 的靜態(tài)電流可為便攜式電子產(chǎn)品中 “保持有效” 的電路延長電池壽命，實現(xiàn)了 WSN 等全新一代能量收集應(yīng)用。