緊湊型太陽(yáng)能電池板利用創(chuàng)新性能量收集技術(shù)

1  背景信息
     我們周?chē)教幎际悄芰?，它們以熱、光、電流甚至機(jī) 電能的形式存在。不過(guò)，人們常常發(fā)現(xiàn)，這些能源提供的能 量太少了，無(wú)法為任何實(shí)際用途連續(xù)提供充足的功率。實(shí)際 上，直到不久前，除了太陽(yáng)能和地?zé)崮埽恢睙o(wú)法從其他形 式的能源中獲得充足的能量來(lái)執(zhí)行任何有用的功能。能量收 集是從一種或多種自然存在的能源中收集微量能量、然后把

圖1 LTC3106 采用太陽(yáng)能電池板或主電池為下游負(fù)載連續(xù)供電    

圖2 配置為太陽(yáng)能收集器、具主電池備份電源、給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的 LTC3106
收集到的能量累積或存儲(chǔ)起來(lái)以備之后使用的過(guò)程。能量收
集設(shè)備可以高效采集、累積、存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)和管理環(huán)境能量，
而且所用調(diào)節(jié)方式適合將這類(lèi)能量用于執(zhí)行有用的功能。
最近的技術(shù)進(jìn)步提高了從自然環(huán)境中獲得微量能量并 將其轉(zhuǎn)換成電能的效率。此外，轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步不僅提高 了電源轉(zhuǎn)換效率，還降低了轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功耗。這些進(jìn)步激 發(fā)了工程界的興趣，促使他們開(kāi)發(fā)出更多利用能量收集技術(shù) 的應(yīng)用。
在遠(yuǎn)程應(yīng)用的部署中，從根本上不可能耗盡的自然環(huán) 境能源中收集能量替代有線電源或電池，日益成為一種備受
關(guān)注的供電方式。自然能源從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是免費(fèi)能源，如果得到恰當(dāng)利用，不僅無(wú)需維護(hù)，而且在很多應(yīng)用的生命周期
中始終可用。
另外，能量收集可以用于輔助能源以補(bǔ)充電池等主電 源，從而極大地延長(zhǎng)了電池壽命，降低維護(hù)費(fèi)用。

2 能量收集應(yīng)用
現(xiàn)在有很多應(yīng)用將能量收集電源作為主電源使用。例如，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 常常受益于能量收集電源。如
果在一個(gè)偏遠(yuǎn)地點(diǎn)部署無(wú)線節(jié)點(diǎn)，有線電源或電池或者不夠 可靠或者不可用，那么就可用收集的能量提供節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需 功率。在其他一些情況下，多種能源選擇可以提高系統(tǒng)的總 體效率和可靠性。
一些較常見(jiàn)的可收集能量包括：
? 機(jī)械能 – 來(lái)自振動(dòng)、機(jī)械壓力和應(yīng)變力；
?  熱能 – 爐子、加熱器、馬達(dá)和摩擦運(yùn)動(dòng)等浪費(fèi)的能 量；
? 光能 – 通過(guò)光電二極管或太陽(yáng)能電池從太陽(yáng)光或室內(nèi)
照明中獲得的能量；
? 電磁能 – 來(lái)自電感器、線圈和變壓器；
? 自然環(huán)境中的能量 – 來(lái)自風(fēng)、水流、洋流、電流和太 陽(yáng)；
? 人體能量 – 通過(guò)運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械能和熱能；
? 其他能量 – 來(lái)自化學(xué)和生物源。
需要提到的重要一點(diǎn)是，幾乎所有這些能源都不受限 制，且本質(zhì)上是免費(fèi)的，只要在系統(tǒng)部署位置或系統(tǒng)部署位 置附近能夠獲得就行。
典型的能量收集系統(tǒng)需要諸如振動(dòng)、熱量或光等能源

圖3    在可變光照情況下測(cè)得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲線  

圖4   圖2原理圖的應(yīng)用負(fù)載曲線

以及一些關(guān)鍵電子組件，包括：
? 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (換能器)，例如壓電組件或太陽(yáng)能電池 板，可將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電能；
? 能量收集轉(zhuǎn)換 IC 以獲得、存儲(chǔ)和管理電能；
?  傳感器、微控制器和收發(fā)器，作為  WSN 的組成部分 以讀取、記錄和傳送數(shù)據(jù)；
? 可選的補(bǔ)充性能量存儲(chǔ)設(shè)備，例如薄膜型主電池或超 級(jí)電容器。
很重要的一點(diǎn)是，電源轉(zhuǎn)換設(shè)備需要有很高的效率和 很低的靜態(tài)電流，這樣大部分收集的能量才能用于給傳感器 網(wǎng)絡(luò)或控制電路供電，或者用來(lái)監(jiān)視設(shè)備。此外，必須了解可收集能源能夠提供多大的平均功率，以及給特定設(shè)備供電
需要多少能量 (工作占空比)。


3 能量收集 IC 解決方案
幸運(yùn)的是，為了處理、存儲(chǔ)和使用收集的能量，凌力 爾特提供了幾款能量收集器件。LTC3106 是其中之一，這 是一款高集成度、超低電壓降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器， 具備為多種輸入能源和低功率系統(tǒng)而優(yōu)化的自動(dòng)電源通路 (PowerPath) 管理功能。如果主電源不可用， LTC3106 就無(wú) 縫地切換到備份電源，且與可再充電電池 或主電池兼容，無(wú)論何時(shí)，只要有剩余能 量可用，就可以給備份電池涓流充電。如 果使用的輸入能源是光源，那么可選最大 功 率 點(diǎn) 控 制 功 能 優(yōu) 化 電 源 和 負(fù) 載 之 間 的 功率傳送。在無(wú)負(fù)載時(shí)，LTC3106 僅消耗
1.6μA 電流，并能從任何輸入能源產(chǎn)生高 達(dá) 5V 的輸出電壓。圖  1 顯示了一個(gè)典型的 原理圖。
LTC3106 采用電源通路 (PowerPath?)控制架構(gòu)，允許使用單個(gè)電感器，通過(guò)在 兩個(gè)電源輸入之間無(wú)縫轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生用戶(hù)可 選和固定的穩(wěn)定輸出電壓。如果輸入電源 (VIN) 可用，降壓-升壓型穩(wěn)壓器就用 VIN 工 作，向負(fù)載提供高達(dá) 300mA 的電流。如果 VIN 不可用，穩(wěn)壓器選擇 VSTORE/VCAP 作為其 輸入，向負(fù)載提供高達(dá)  50mA 的電流。如果用可再充電電池作為備份電源，那么還提供小電流再充電電源通路，從而允許在 輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，用多余的輸入能量給備份電源充 電。用戶(hù)可選擇不同的充電 / 放電門(mén)限適用于多種化學(xué)組成 的電池，可防止過(guò)度充電 / 深度放電保護(hù)電池。當(dāng)主電池用 作備份電源時(shí)，充電可以通過(guò)PRI從外部禁止。
在沒(méi)有備份電源時(shí)，主輸入電壓  VIN 可配置為在 850mV 至 5.1V 電壓范圍內(nèi)工作，有備份電源時(shí) (例如主電池) 則配 置為在 330mV 至 5.1V 范圍內(nèi)工作。這樣的范圍適合多種類(lèi) 型的電源，包括高阻抗電源 (例如小型太陽(yáng)能電池板)。為了 確保獲得最大功率，LTC3106 集成了一個(gè)準(zhǔn)確的 RUN 引腳 和可選最大功率點(diǎn)函數(shù)。二者均可用來(lái)控制穩(wěn)壓器接通點(diǎn)，
使其位于輸入電源的最大功率點(diǎn)上。對(duì)于較高功率的輸入電源而言，準(zhǔn)確的 RUN 引腳函數(shù)非常適合用來(lái)將可預(yù)測(cè)的穩(wěn)
壓器接通點(diǎn)設(shè)定到特定輸入電壓上。
如果由可收集能量提供的輸入電壓消失了，主電池或 輔助電池可從 VSTORE 連接至 GND，以給系統(tǒng)供電。如果電 池可再充電，將從這個(gè)引腳向電池涓流充電，直至達(dá)到最高 可選電壓。LTC3106 可由兩個(gè)輸入電壓源之一啟動(dòng)，優(yōu)先選擇 VIN
。最初在同步整流器被禁止的情況下對(duì)VAUX充電，一旦 VAUX 達(dá)到最終電壓，輸出電壓也開(kāi)始異步充電，直至  VOUT 達(dá)到 約 1.2V。然后，轉(zhuǎn)換器退出異步模式，以支持更高效的同步 啟動(dòng)模式，直至 VOUT  處于穩(wěn)定狀態(tài)，器件進(jìn)入正常工作模 式為止。VAUX 充電時(shí)輸出電壓也會(huì)上升。主輸出電壓是用戶(hù) 設(shè)定的，可設(shè)定為 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 任意一個(gè)預(yù)置穩(wěn) 定電壓。


4 設(shè)計(jì)實(shí)例
在僅由電池供電的傳統(tǒng)型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，主控制單 元 (MCU) 直接連接到電池。在這類(lèi)應(yīng)用中，有幾種因素導(dǎo) 致電池容量減小。一般而言，這類(lèi)無(wú)線系統(tǒng)以非常低的頻率 輪詢(xún)節(jié)點(diǎn)，空閑階段功率非常低，偶爾需要與該節(jié)點(diǎn)通信 時(shí)，會(huì)有一些大電流脈沖。有脈沖負(fù)載時(shí)，峰值電流可能遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于電池制造商給出的標(biāo)稱(chēng)漏電流，從而使電池容量減小 到在典型靜態(tài)漏電流情況下所規(guī)定的值以下。此外，就大多 數(shù) MCU (典型最小值為 2V) 而言，可用輸入電壓限制了可用 電池容量。
圖2所示應(yīng)用電路顯示了與  AM-1816 太陽(yáng)能電池板連 接的 LTC3106，其總體尺寸為  9.8cm x 5.7cm (胸卡大小)， CR2032 主電池起補(bǔ)充作用，該應(yīng)用電路配置為向脈沖負(fù)載 輸出供電。盡管能量收集系統(tǒng)可能無(wú)需電池，但是電池可以 起到補(bǔ)充作用，而且壽命得以延長(zhǎng)。當(dāng)有充足的環(huán)境能源可 用時(shí)，就不給電池加載，僅當(dāng)環(huán)境能源不足以帶動(dòng)負(fù)載時(shí)， 才啟用電池。這不僅延長(zhǎng)了電池壽命，從而提高了可靠性， 同時(shí)還降低了維護(hù)成本。
LTC3106 的主輸入電壓 (VIN) 范圍很寬，可以滿足高阻 抗太陽(yáng)能電池的各種需求。太陽(yáng)能電池按照輸出功率、所用 材料 (晶體硅、無(wú)定形硅、化合物半導(dǎo)體等) 和應(yīng)用環(huán)境 (室 內(nèi)或室外照明) 進(jìn)行分類(lèi)。三洋電機(jī)的 Amorton 產(chǎn)品線 (松 下一個(gè)子公司的產(chǎn)品) 提供了多種太陽(yáng)能電池，以滿足各種照明條件 (參見(jiàn)表 1，了
解典型照明條件)、功率 大小以及針對(duì)特定應(yīng)用 的尺寸和形狀定制電池 的要求。
A M- 1 8 1 6 板 的 I -V和 P-V 曲線如圖 3 所示。電池的最大功率 (PMAX) 隨光照強(qiáng)弱 而變化，但是 PMAX 點(diǎn)上的電壓波動(dòng)輕微。在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例 中，VIN  門(mén)限電壓用 RUN 引腳上的電阻分壓器設(shè)定為等于 PMAX 點(diǎn)上的電壓。輸入電壓上升的 UVLO 門(mén)限 VIN(OV) 設(shè)定為
4.2V。由于內(nèi)部遲滯， VIN(UV) 為 3.8V，從制造商提供的有關(guān) AM-1816 太陽(yáng)能電池的  I-V 和 P-V 數(shù)據(jù)看，最大功率點(diǎn)上的 平均 VIN 電壓約為 4V。

就這個(gè)應(yīng)用而言，負(fù)載是低功率  RF 設(shè)備，其負(fù)載曲線 如圖 4 所示。工作區(qū)、輸出和功耗如表2所示，表中還列出 了每個(gè)工作狀態(tài)下的峰值電流。
在上述負(fù)載曲線下， LTC3106 總平均功耗為 37μW，電 阻分壓器的功耗為 5μW，總平均功率為165μW，所以，總的 輸入功率需求為 207μW。計(jì)算得出的平均效率 (包括電阻分 壓器在內(nèi)) η = 165μW/207μW = 80%。200 流明時(shí) AM-1816 的 可用功率約為  400μW。在約為 80% 的轉(zhuǎn)換器效率下，它給 總功率需求為  207μW 的負(fù)載供電有一定的裕度，無(wú)需從電 池汲取電流。如果光照條件變差，那么可用輸入功率也許會(huì) 降至低于保持輸出電壓所需的值。這時(shí)，LTC3106 會(huì)以“打 嗝”模式工作，在  VIN 升至高于 4.2V 時(shí)接通，降至低于  3.8V 時(shí)斷開(kāi)。當(dāng) VIN 斷開(kāi)時(shí)，就用 VSTORE (主電池) 供電，直至 VIN 恢復(fù)并升至高于  4.2V 門(mén)限為止。如果光照條件變得更加有 利，VIN 會(huì)升至能量收集電源的開(kāi)路電壓，并再次提供所有 負(fù)載功率。

5  結(jié)論
即使有些能量收集電源僅能提供很低的可用功率 (如本 文所示胸卡大小的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)實(shí)例)，但它們足以滿足 大多數(shù)無(wú)線傳感器的供電需求。LTC3106 降壓-升壓型 DC/ DC 轉(zhuǎn)換器針對(duì)低功率系統(tǒng)中常見(jiàn)的多種輸入電源而優(yōu)化， 為多種能量收集應(yīng)用提供必要的功能。因此，諸如 WSN 等 能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了有用和恰當(dāng)?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換 IC， 可極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)了。