低功率轉(zhuǎn)換為能量收集

有大量的環(huán)境能源在美國(guó)和能量收集的傳統(tǒng)方法在世界各地已經(jīng)通過(guò)太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。然而，新的捕撈工具使我們能夠從各種各樣的環(huán)境資源產(chǎn)生電能。此外，它不是很重要的電路的能量轉(zhuǎn)換效率，但更多的“平均收獲”能量可用來(lái)驅(qū)動(dòng)它的量。例如，熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換為電能，壓電元件將機(jī)械振動(dòng)，光伏將太陽(yáng)光(或任何光子源)和電療法防潮轉(zhuǎn)換能量。這使得有可能提供動(dòng)力遠(yuǎn)程傳感器，或者一個(gè)存儲(chǔ)裝置充電，例如一個(gè)電容器或薄膜電池，使得微處理器或發(fā)射機(jī)可以從遠(yuǎn)程位置供電，而不一個(gè)本地電源。

然而，它在功率譜，其中，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和傳感器毫微功率轉(zhuǎn)換正變得越來(lái)越普遍的“低”端，即需要進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換IC可與功率和電流的非常低的水平工作是必要的。這些通常是幾十電流的微瓦和納安的分別。然而，這樣的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，包括電池充電器，在操作的可用性低于1μA的電流都極為有限。

概括地說(shuō)，根據(jù)需要包含在這些應(yīng)用中必要的集成電路的性能特征包括以下：

低待機(jī)靜態(tài)電流 - 通常比6μA以下，低至450 nA的

低啟動(dòng)電壓 - 低至20毫伏

高輸入電壓能力 - 高達(dá)34 V連續(xù)40 V瞬態(tài)

能夠處理交流輸入

多種輸出能力和自治系統(tǒng)電源管理

最大功率點(diǎn)控制(MPPC)太陽(yáng)能輸入

緊湊的解決方案與足跡最少的外部元件

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本上包括某種換能器的環(huán)境能量源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，之后通常通過(guò)DC / DC轉(zhuǎn)換器和管理器供給下游電子與正確的電壓電平與當(dāng)前的自包含的系統(tǒng)。下游電子電路由一個(gè)微控制器，傳感器和收發(fā)器的。

當(dāng)試圖實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)很好的問(wèn)題要考慮的是：多大的權(quán)力是必要的操作呢?從概念上講這似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單;然而，在現(xiàn)實(shí)中卻是有點(diǎn)困難，因?yàn)樵S多因素。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)不讀書(shū)需要多么頻繁采取?或者，更重要的是，如何將大數(shù)據(jù)包是多少權(quán)力是需要的要發(fā)送的?這是由于收發(fā)信機(jī)消耗為單個(gè)傳感器讀數(shù)和傳輸系統(tǒng)所用的能量的大約50%。有幾個(gè)因素會(huì)影響一個(gè)能量收集系統(tǒng)或無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功耗特性，它們都需要被考慮在內(nèi)。

當(dāng)然，由能量收集源提供的能量取決于源多久可用。因此，主要指標(biāo)的清理源比較的功率密度，而不是能量密度。能量收集是一般受到低，可變的和不可預(yù)測(cè)水平的可用功率，所以一個(gè)混合結(jié)構(gòu)，它連接到收割機(jī)和次級(jí)電力存儲(chǔ)器經(jīng)常被使用。因?yàn)樵诠β势錈o(wú)限的能源供應(yīng)和不足的收割機(jī)，是該系統(tǒng)的能量源。次級(jí)電力存儲(chǔ)器，無(wú)論是電池或電容器，產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲(chǔ)較少的能量，在必要時(shí)，但以其他方式定期從收割機(jī)接收充電供電。因此，在情況下，當(dāng)不存在環(huán)境能量從中收獲功率，二次電源儲(chǔ)存必須用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度看，這增加了復(fù)雜性的進(jìn)一步的程度，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在必須考慮到多的能量必須如何存儲(chǔ)在第二儲(chǔ)存器，以補(bǔ)償不足的環(huán)境能量源。

很顯然，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須提供使用時(shí)的能量非常低的水平。這，反過(guò)來(lái)，這意味著在系統(tǒng)中使用的部件必須能夠處理這些低功率水平。而這已經(jīng)達(dá)到與收發(fā)器和微控制器，在等式的功率轉(zhuǎn)換和電池充電側(cè)一直存在的空隙。不過(guò)，凌力爾特開(kāi)發(fā)了LTC3388-1 / -3和LTC4071，專門解決這些需求。

該LTC3388-1 / -3是一個(gè)20 V輸入能夠同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以提供高達(dá)連續(xù)輸出電流50毫安3毫米×3毫米(或MSOP10-E)封裝 - 見(jiàn)圖1。它工作于輸入電壓范圍為2.7 V至20 V，因此非常適合廣泛的能量收集和電池供電的應(yīng)用，包括“保持活躍”，傳感器和工業(yè)控制電源。

凌力爾特LTC3388-1圖片/ -3典型應(yīng)用電路圖

圖1：LTC3388-1 / -3典型應(yīng)用電路圖

該LTC3388-1 / -3利用遲滯同步整流以優(yōu)化效率在寬負(fù)載電流范圍內(nèi)。它可以提供超過(guò)90%的效率為負(fù)載從15微安到50mA，只需要400 nA的靜態(tài)電流，從而使其能夠提供更長(zhǎng)的電池壽命，其中一個(gè)被用于輔助電源。

該LT3388-1 / -3集成了一個(gè)精確的欠壓鎖定(ULVO)功能，當(dāng)輸入電壓低于2.3 V，靜態(tài)電流降低到只有400 nA的禁用該轉(zhuǎn)換器。一旦在調(diào)節(jié)(在無(wú)負(fù)載時(shí))，則LTC3388-1 / -3進(jìn)入睡眠模式，以盡量減少的靜態(tài)電流到只有720 nA的。降壓轉(zhuǎn)換器然后接通，并根據(jù)需要來(lái)維持輸出調(diào)節(jié)關(guān)閉。另外一個(gè)備用模式會(huì)禁用切換，而輸出是用于調(diào)節(jié)時(shí)間短負(fù)載，如無(wú)線調(diào)制解調(diào)器，需要低紋波。這種高效率，低靜態(tài)電流的設(shè)計(jì)非常適用于能量采集，這需要很長(zhǎng)的周期充電伴隨短脈沖負(fù)載供電的傳感器和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器。

很多時(shí)候，電池用作無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)輔助備用電源;但是，如何將其從低電源充電的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)不是微不足道的。 Linear公司的LTC4071是并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，包括集成的電池保護(hù)和低電池?cái)嚅_(kāi)功能，以保護(hù)低容量電池的損害，由于自放電。這是一個(gè)簡(jiǎn)單而復(fù)雜的充電器和保護(hù)鋰離子/聚合物電池。其超低的550 nA的工作電流支持從以前不能使用的非常低電流，間歇或連續(xù)充電電源，例如，從能量收集應(yīng)用提供充電。一個(gè)內(nèi)部電池?zé)崃坎轵?yàn)器降低浮置電壓，以保護(hù)鋰離子/聚合物電池，紐扣電池或薄膜電池在電池溫度升高。坐落在一個(gè)低調(diào)的8引線2毫米x 3毫米DFN封裝，LTC4071的提供，只需串聯(lián)在輸入電壓需要一個(gè)外部電阻一個(gè)完整和超緊湊的充電器解決方案。

即使便攜式應(yīng)用和能量采集系統(tǒng)具有寬范圍功率電平的正確的操作，從微瓦到大超過(guò)1瓦，有由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可用于選擇許多功率轉(zhuǎn)換IC。但是，它是在功率范圍，其中該水平落入該選擇變得有限的毫微功率電平的下端。

幸運(yùn)的是，電源轉(zhuǎn)換和電池充電可用于設(shè)計(jì)師從具有小于一個(gè)微安靜態(tài)電流來(lái)選擇，以延長(zhǎng)電池壽命的低功率傳感器?；铍娐泛托乱淮鸁o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案。