在某些能量收集應用和操作條件下，壓電設備等傳感器可以產(chǎn)生遠高于典型工作電平的高輸出電壓。在這些情況下，降壓轉換器或降壓轉換器為最大化換能器功率輸出提供了簡單的選擇。對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換器實施高效的能量收集解決方案。
降壓轉換器包括一個電感器以及一對電容器和開關，設計使得任何時候只有一個開關接通。簡單地說，當開關A打開時，開關B閉合，反之亦然(圖1)。在操作中，開關交替，使電流流到電感器或接地。當開關A接通時，開關B斷開，電流從VIN流向電感器。當開關A斷開時，開關B接通且電感器接地，因此存儲在電感器中的能量被釋放到負載中。
圖1：在典型降壓轉換器(A)的示意圖中，PWM控制器交替打開和關閉一對開關，以將電流IA驅動到電感器或電流IB從電感到主負載調節(jié)(B)。 (由Analog Devices提供。)
在連續(xù)導通模式(CCM)中，電感電流永遠不會降至零，而在非連續(xù)導通模式(DCM)中，電感電流可能降至零。使用FET的降壓轉換器(如圖1所示)稱為同步降壓轉換器;非同步降壓轉換器使用肖特基二極管作為開關B.由于FET具有比肖特基二極管更低的壓降，因此同步降壓轉換器通常更有效。
對于采用更高輸入電壓水平運行的能量采集應用，降壓轉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，在負載阻抗與傳感器源阻抗匹配的點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載阻抗下工作 - 工作電壓通常是器件開路電壓的一半。然而，在實踐中，該操作點(稱為最大功率點(MPP))響應于其操作環(huán)境的變化而變化，包括能量源性質，溫度和壓電裝置本身的質量負載的變化。
通過降壓轉換器，工程師可以通過設置轉換器的開關頻率和電感器大小來設置傳感器的負載阻抗，并通過改變占空比來動態(tài)改變它，以保持壓電器件的最大功率輸出。結合全波整流橋，同步轉換器可以從壓電裝置產(chǎn)生的交流電壓中提取最大能量，因為它在遠離其中性點的兩個方向上偏轉。
電感的選擇是降壓轉換器正常工作的關鍵問題。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。對于其LTC3632同步降壓轉換器，凌力爾特公司建議根據(jù)下面的公式1設置電感值，受公式2的約束。
可用的降壓轉換器，如Maxim Integrated MAX638，Linear Technology LTC3632，Linear Technology LTC3388和Texas Instruments TPS62120，提供了一種簡單的解決方案，可將輸入電壓降至典型工作電壓水平(圖3)。
圖3：可用的降壓轉換器需要很少的外部元件。除了電感器和電容器對之外，凌力爾特公司LTC3632等設備還使用一對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，這類降壓轉換器通常使用一對電阻器來降低輸出電流，以便與片上電壓基準進行比較 - 800 mV就LTC3632而言。對于LTC3632，如果VFB的電壓大于參考電壓，比較器將激活休眠模式，其中電源開關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用的同步降壓轉換器，支持2至15 V的輸入電壓范圍，同時提供高達75 mA的輸出電流。與Linear LTC3632類似，TI TPS62120使用片上800 mV基準電壓源切換到低功耗睡眠模式。為了在輕負載條件下保持高效率，TI轉換器采用遲滯PFM/PWM控制器方案，器件在高負載時工作在PWM模式，并在輕負載時自動切換到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)電阻并導致低輸出電壓紋波。
凌力爾特公司LTC3588-1專門設計用作壓電能量采集電源，擴展了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換器，可提供完整的壓電能源，僅具有降壓轉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換器相結合，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能夠在多個可選輸出電壓下提供高達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，直到降壓轉換器可以有效地將一部分存儲電荷轉移到輸出。在調節(jié)方面，LTC3588-1進入950 nA低功耗狀態(tài)，根據(jù)需要接通和關斷降壓轉換器以維持穩(wěn)壓。
結論
降壓轉換器為具有高輸入電壓電平的專業(yè)能量收集應用提供了簡單的解決方案?？捎玫慕祲恨D換器通常僅需要一對電容器和電感器來實現(xiàn)有效的DC/DC轉換器?？捎媒祲恨D換器的專用版本提供高度集成的解決方案，用于構建由壓電設備供電的高效能量收集電路。
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