能量收集系統(tǒng)介紹

低功率技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步使得在多種應(yīng)用中建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)變得更加容易，如遠(yuǎn)端取樣、HVAC 監(jiān)視、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)自動化應(yīng)用。問題是，甚至無線傳感器也需要定期更換的電池，而這是一項(xiàng)昂貴和復(fù)雜的維護(hù)任務(wù)。一種較好的無線電源解決方案是從傳感器所在環(huán)境收集機(jī)械、熱或電磁能。

　　一般情況下，可收集的環(huán)境能量在數(shù)十 mW，因此能量收集需要仔細(xì)的功率管理，以成功獲取數(shù) mW 的環(huán)境能量，并將其存儲在一個(gè)可使用的能量庫中。一種常見的環(huán)境能源是機(jī)械振動能，這種能量由工廠中運(yùn)行的發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇葉片上的氣流、甚至行駛的車輛產(chǎn)生。壓電換能器可用來將這種振動能轉(zhuǎn)換成電能，電能再用來給電路供電。

　　為了管理能量收集和能量向系統(tǒng)的釋放，LTC3588-1 壓電能量收集電源 (圖 1) 集成了一個(gè)低損耗內(nèi)部橋式整流器和一個(gè)同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該裝置運(yùn)用一種高效的能量收集算法以收集和存儲來自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十mA 的短路電流。

　　能量收集系統(tǒng)常常必須支持比壓電器件能產(chǎn)生的電流高得多的峰值負(fù)載電流，因此 LTC3588-1 能夠積累能量，然后再以短的能量突發(fā)向負(fù)載釋放能量。當(dāng)然，就連續(xù)運(yùn)行而言，這類突發(fā)能量必須以低占空比提供，以便在突發(fā)期間總的輸出能量不超過在能量積累周期中所累積的平均電源能量。一個(gè)以固定時(shí)間間隔進(jìn)行測量、并在兩次測量之間發(fā)送數(shù)據(jù)并斷電的傳感器系統(tǒng)是能量收集解決方案的首選。

　　能量收集的關(guān)鍵是低靜態(tài)電流

　　能量收集過程依賴低靜態(tài)電流能量積累階段。LTC3588-1 通過欠壓閉鎖 (UVLO) 模式來實(shí)現(xiàn)，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到 1mA 的靜態(tài)電流。UVLO 模式允許在一個(gè)輸入電容器上積累電荷，直到內(nèi)部降壓型轉(zhuǎn)換器能夠高效率地將部分存儲的電荷傳送到輸出為止。

　　圖2顯示了 UVLO 靜態(tài)電流曲線，該曲線是隨 VIN 單調(diào)變化的，因此一個(gè)低至 700nA 的電流源就可以將輸入電容器充電至 UVLO 的上升門限，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。一旦達(dá)到穩(wěn)定，LTC3588-1 就進(jìn)入休眠狀態(tài)，在這狀態(tài)下，輸入和輸出靜態(tài)電流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，輸出穩(wěn)定時(shí)，靜態(tài)電流僅為 950nA。然后降壓型轉(zhuǎn)換器按照需要接通和斷開，以保持穩(wěn)定。在休眠模式和 UVLO 模式，低靜態(tài)電流都允許在輸入電容器庫中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

　　當(dāng) VIN 達(dá)到 UVLO 上升門限時(shí)，集成的高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器接通，并開始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩(wěn)壓器運(yùn)用一種遲滯電壓算法，通過來自 VOUT 檢測引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。通過一個(gè)內(nèi)部 PMOS 開關(guān)使電感器電流斜坡上升至高達(dá) 250mA，然后再通過一個(gè)內(nèi)部 NMOS 開關(guān)使該電流斜坡下降至零，憑借這一過程，該降壓型穩(wěn)壓器通過一個(gè)電感器將輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

　　如果在輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定之前，輸入電壓下降至低于 UVLO 下降門限，那么降壓型轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于 UVLO 上升門限為止。這期間，VOUT 檢測引腳上的泄漏不高于 90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩(wěn)壓器切換時(shí)所達(dá)到的值。圖 3 顯示一個(gè)由 2mA 電流源充電的 LTC3588-1 典型啟動波形。當(dāng)同步降壓型穩(wěn)壓器使輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)入低靜態(tài)電流休眠狀態(tài)，該狀態(tài)用休眠比較器監(jiān)視輸出電壓。在這種運(yùn)行模式時(shí)，負(fù)載電流由降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降至低于穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，該降壓型穩(wěn)壓器醒來，重復(fù)上述周期。這種提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并使在非常輕的負(fù)載時(shí)進(jìn)行高效率調(diào)節(jié)成為可能。

　　該降壓型轉(zhuǎn)換器正在切換時(shí)，提供高達(dá) 100mA 的平均負(fù)載電流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 這 4 個(gè)輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無線發(fā)送器供電。圖 4 顯示在穩(wěn)定和休眠時(shí)極低的靜態(tài)電流，這允許在輕負(fù)載時(shí)高效率運(yùn)行。盡管切換時(shí)降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流遠(yuǎn)高于休眠靜態(tài)電流，但是它在負(fù)載電流中所占百分?jǐn)?shù)仍然很小，從而在多種負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率 (圖 5)。

　　降壓型轉(zhuǎn)換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時(shí)才工作，它以短突發(fā)將能量傳送到輸出，短突發(fā)所用時(shí)間遠(yuǎn)短于積累能量所需的時(shí)間。當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的靜態(tài)電流在整個(gè)積累/突發(fā)周期中平均時(shí)，平均靜態(tài)電流非常低，從而非常容易提供收集少量環(huán)境能量的電源。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)極低的靜態(tài)電流允許 LTC3588-1 在負(fù)載不到 100mA 時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。