面向能量收集的低功率轉(zhuǎn)換

然而，正是在功率譜的 “低” 端 (這里，WSN 和傳感器中的毫微功率轉(zhuǎn)換變得越來(lái)越普遍) 才需要那種可以使用非常低的功率和電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。這些常常分別是幾十微瓦 (μW) 功率和幾十納安 (nA) 電流。不過(guò)，此類(lèi)工作電流不到 1μA 的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品 (包括電池充電器) 的供貨源卻是極其有限。

一般地說(shuō)，要想為能量收集應(yīng)用所接納和采用，必需具備的 IC 性能特征包括：

l 低待機(jī)靜態(tài)電流 —— 通常小于 6μA，并可低至 450nA

l 低啟動(dòng)電壓 —— 低至 20mV

l 高輸入電壓能力 —— 高達(dá) 34V (連續(xù)) 和 40V (瞬態(tài))

l 能夠處理 AC 輸入

l 多輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

l 針對(duì)太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

l 緊湊的解決方案占板面積和極少的外部組件

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 基本上是一種獨(dú)立系統(tǒng)，它由一些換能器組成，能將環(huán)境能量源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，位于其后的通常是一個(gè) DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓電平和電流為下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，需要考慮一個(gè)有益的問(wèn)題：運(yùn)行這個(gè) WSN 需要多少功率? 從概念上說(shuō)，這似乎是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的問(wèn)題;然而實(shí)際上，由于受到若干因素的影響，這是一個(gè)有點(diǎn)難以回答的問(wèn)題。例如：需要間隔多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次讀數(shù)? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包將有多大以及傳送它需要多大的功率? 這是因?yàn)?，獲取和傳輸一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有 50% 是收發(fā)器消耗掉的。有多種因素會(huì)影響能量收集系統(tǒng)或 WSN 的功耗特性，必需把它們?nèi)靠紤]在內(nèi)。

當(dāng)然，由能量收集源所提供的能量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(zhǔn)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(shí)變化且不可預(yù)測(cè)，因而通常采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統(tǒng)的能量源。輔助電能儲(chǔ)存器 (一個(gè)電池或一個(gè)電容器) 可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，其他情況下則定期接收來(lái)自收集器的電荷。所以，在沒(méi)有可供收集功率的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲(chǔ)存器給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮：必須在輔助電能儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存多少能量才能補(bǔ)償環(huán)境能量源的不足。

顯然，WSN 必須使用非常低級(jí)別的能量 (當(dāng)其可用時(shí))。這又意味著，系統(tǒng)中所使用的組件必須要能夠處理這些低功率級(jí)別。雖然收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在與之相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換和電池充電這方面仍然存在空白。不過(guò)，凌力爾特開(kāi)發(fā)的 LTC3388-1 / LTC3388-3 和 LTC4071可以專(zhuān)門(mén)應(yīng)對(duì)這些要求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款能接受 20V 輸入的同步降壓型轉(zhuǎn)換器，其可提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，見(jiàn)圖 1。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電應(yīng)用，包括 “保持有效” 的傳感器和工業(yè)控制電源。

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

LTC3388-1 / LTC3388-3 運(yùn)用遲滯同步整流方法，以在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。其在 15μA 至 50mA 負(fù)載范圍內(nèi)可提供超過(guò) 90% 的效率，且僅需 400nA 的靜態(tài)電流，從而使其能夠在采用電池作為輔助電源的場(chǎng)合延長(zhǎng)電池壽命。

LTC3388-1 / LTC3388-3 具有準(zhǔn)確的欠壓閉鎖 (UVLO) 保護(hù)功能，以在輸入電壓降至低于 2.3V 時(shí)停用轉(zhuǎn)換器，從而將靜態(tài)電流減小至僅為 400nA。一旦處于穩(wěn)定狀態(tài) (無(wú)負(fù)載時(shí))，LTC3388-1 / LTC3388-3 將進(jìn)入睡眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達(dá)到僅為 720nA。然后，該降壓型穩(wěn)壓器按需接通和斷開(kāi)，以保持輸出穩(wěn)定。當(dāng)輸出在持續(xù)時(shí)間很短的負(fù)載 (例如：無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器，這類(lèi)負(fù)載要求低紋波) 情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，另一種備用模式禁止執(zhí)行開(kāi)關(guān)切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設(shè)計(jì)非常適合于能量收集，此類(lèi)應(yīng)用需要長(zhǎng)充電周期，同時(shí)以短突發(fā)負(fù)載為傳感器和無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器供電。

電池常常用作 WSN 中的輔助備用電源;然而，怎樣利用低功率電源對(duì)其進(jìn)行充電的設(shè)計(jì)難題卻并非微不足道!凌力爾特的 LTC4071 是一款并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，其擁有集成型電池組保護(hù)和一種低電池電量斷接功能，以避免低容量電池由于自放電的原因而受損。它是一款簡(jiǎn)單卻十分精細(xì)的充電器和保護(hù)器，適用于鋰離子 / 鋰聚合物電池。其超低的 550nA 工作電流使得能夠采用以前不能用的非常低電流、間歇或連續(xù)充電電源 (例如：依靠能量收集應(yīng)用提供電能的充電電源) 來(lái)充電。一個(gè)內(nèi)部電池?zé)崃空{(diào)理器可降低浮置電壓，以在電池溫度升高時(shí)保護(hù)鋰離子 / 鋰聚合物電池、鈕扣型電池或薄膜電池。LTC4071 采用扁平 8 引腳 2mm x 3mm DFN 封裝，其提供了一款完整和超緊湊的充電器解決方案，只需單個(gè)與輸入電壓相串聯(lián)的外部電阻。

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

幸運(yùn)的是，目前已經(jīng)有了可供設(shè)計(jì)師選擇的電源轉(zhuǎn)換和電池充電解決方案，其低于 1μA 的靜態(tài)電流可為低功率傳感器和新一代 WSN 中 “保持有效” 的電路延長(zhǎng)電池壽命。