為能量收集物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的電源轉(zhuǎn)換選項(xiàng)

環(huán)境能量收集功率的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)傳感器節(jié)點(diǎn)的可能來(lái)源，但需要精心管理。除非基于太陽(yáng)能或熱技術(shù)收割機(jī)，例如，被設(shè)計(jì)成與傳統(tǒng)的電路兼容，直流/直流轉(zhuǎn)換器需要為低電壓輸入進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)往往需要置于遠(yuǎn)離可靠的電力來(lái)源，但工作了很多年。雖然長(zhǎng)期貯存壽命電池為這些設(shè)備供電提供了一個(gè)選項(xiàng)，一個(gè)日益可行的替代方案是使用環(huán)境能量收集，使用來(lái)源，如光，振動(dòng)和溫度的差異。與能量采集設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是，權(quán)力的來(lái)源往往是充滿變數(shù)和不可預(yù)知。為電子的功能，由收割元件提供的功率需要使用一個(gè)或多個(gè)功率轉(zhuǎn)換級(jí)來(lái)調(diào)節(jié)。在大多數(shù)情況下，峰值能量可用于收集不與系統(tǒng)的峰值需求，這將意味著在系統(tǒng)內(nèi)儲(chǔ)存的多余能量，用一個(gè)組件，如超級(jí)電容器，使得它準(zhǔn)備在需要時(shí)可以應(yīng)用一致。通常情況下，收獲將允許系統(tǒng)積累能量在很長(zhǎng)一段時(shí)間，在此期間，大部分系統(tǒng)本身將是睡著削減電力需求。當(dāng)系統(tǒng)喚醒獲取讀數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)，它接入到該貯存器的積累能量。

德州儀器IV曲線圖片為典型的太陽(yáng)能電池圖1：典型的太陽(yáng)能電池IV曲線和可能的收獲電流兩級(jí)照射(德州儀器提供)當(dāng)系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，這部分需求的功耗要保持盡可能低的水平，以避免浪費(fèi)寶貴的能源。這代表了一個(gè)嚴(yán)格的要求不只是用來(lái)提供處理電子設(shè)備的DC / DC變換器的靜態(tài)電流，而且還取決于它供應(yīng)功率的作為處理器能力和相關(guān)電路喚醒。在DC / DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)面臨了進(jìn)一步的挑戰(zhàn)。所收獲的能量通常是在一種形式，是難以使用。雖然壓電型和靜電型收割機(jī)通常在相對(duì)高的電壓下工作，該電壓由最能捕獲技術(shù)生成的顯著小于1 V例如，小光伏電池可以與低于0.5五電壓下工作為了能夠處理這種低電壓時(shí)，直流/直流轉(zhuǎn)換器需要提供給不只是提供升壓調(diào)節(jié)但從電壓是顯著低于主流的設(shè)計(jì)旨在電池供電系統(tǒng)中遇到啟動(dòng)的能力。另一個(gè)考慮是，最大功率點(diǎn)(MPP)跟蹤。典型地，細(xì)胞在光伏模塊將產(chǎn)生非常小的功率時(shí)產(chǎn)生高電壓。當(dāng)光線水平上升時(shí)，電壓將有所回落，但目前將急劇增加，直至接近其峰值水平。溫度也起到了重要作用。作為模塊加熱，模塊的輸出電壓將下降，這將降低其總能量輸出。其結(jié)果是，即使在強(qiáng)烈的陽(yáng)光時(shí)期時(shí)，他們應(yīng)該是在最高效率，光伏可以從顯著滴在轉(zhuǎn)換效率遭受如果電子電路不對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。由于電流正比于細(xì)胞大小，專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型光伏面板供應(yīng)不足適用于家庭或工業(yè)發(fā)電的大型機(jī)組的電流。其結(jié)果，重要的是要限制電流通過轉(zhuǎn)換電路所吸收，以避免強(qiáng)制轉(zhuǎn)換器電路以閉鎖，直到系統(tǒng)復(fù)位。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效的方法是采用MPP跟蹤。與MPP跟蹤操作，逆變器電路可以使用的電壓和電流的最佳組合，并提供必要的阻力提供一個(gè)負(fù)載，以允許高效的能量收集。德州儀器TPS61200是DC / DC轉(zhuǎn)換器，被設(shè)計(jì)用于與電池或太陽(yáng)能能源使用。升壓轉(zhuǎn)換器的TPS61200具有從電壓低至0.3 V在2μH至5μH范圍內(nèi)的外部電感器的幫助和一個(gè)4.7μF的電容，以改善瞬態(tài)行為啟動(dòng)的能力。該裝置有三個(gè)不同的N型溝道FET內(nèi)，用于保持對(duì)轉(zhuǎn)換器的整個(gè)范圍內(nèi)具有高效率的同步功率轉(zhuǎn)換。因?yàn)樗枰獣r(shí)間來(lái)產(chǎn)生足夠高的電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)典型微控制器和混合信號(hào)器件，這經(jīng)常需要在3伏范圍內(nèi)的供給，該裝置具有兩個(gè)輸出引腳：VOUT和VAUX。在VAUX引腳允許低壓組分被盡快供電，它們能夠以低電源電壓工作條件。一旦轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生足夠高的輸出電壓 - 這是在該上VAUX輸出電容器被充電到2.5伏的點(diǎn) - VOUT變?yōu)橛行А榱吮苊膺^度的電流消耗在啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)換器限制了它的電流在第一，使電流沿與輸出電壓上升。雖然它不實(shí)現(xiàn)的MPP內(nèi)部跟蹤，所述TPS61200可用于基于一個(gè)運(yùn)算放大器，電壓參考和多個(gè)無(wú)源元件的一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬電路。技術(shù)VAUX，運(yùn)算放大器應(yīng)該是一個(gè)軌到軌放大器具有低功耗，能夠工作在低電源電壓。運(yùn)算放大器的輸出被連接到TPS61200來(lái)控制變換器的輸出電壓，利用太陽(yáng)能電池的供給的輸入電壓，比較該到電壓基準(zhǔn)的反饋管腳。如果電壓基準(zhǔn)由一個(gè)電位器控制，而不是由一個(gè)電阻分壓器，該電路提供給調(diào)整電路，以不同的太陽(yáng)能電池的類型和不同的條件的能力。在最終應(yīng)用中，電位器可以由一個(gè)固定的分壓器被替換之后被發(fā)現(xiàn)的特定太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)的理想值。

一個(gè)MPP電路的TI TPS61200：MPP電路TI的TPS61200圖2的圖像。在穩(wěn)態(tài)條件下，輸入電流成比例的輸出電流由轉(zhuǎn)換比率由輸出電壓分壓器設(shè)定。以降低輸入電流，MPP電路通過電流注入反饋節(jié)點(diǎn)減少所設(shè)置的輸出電壓，以低得多的值。在低負(fù)載電流，平均300毫安，其通常與周圍小型太陽(yáng)能收割機(jī)內(nèi)置設(shè)計(jì)的情況之下，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入一個(gè)省電模式，以保持高效率，在寬負(fù)載電流范圍。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器提供能量的短脈沖。輸出電容器充當(dāng)能量?jī)?chǔ)存器來(lái)平滑的脈沖。的bq25504，也由德州儀器供給，納入在MPP跟蹤電路，并設(shè)計(jì)成與任何熱或太陽(yáng)能收割機(jī)操作。雖然它需要與至少為330毫伏的輸入電壓開始，一旦啟動(dòng)該裝置可以收獲能量下降到80毫伏，使其適于與可處理非常小的溫度差的熱發(fā)電機(jī)使用 - 雖然顯著差異需要允許該電路啟動(dòng)。隨著外部升壓變壓器的幫助和一個(gè)小耦合電容，凌力爾特LTC3108可與輸入電壓低至20 mV的操作。轉(zhuǎn)換器的低電壓能力使其能夠與塞貝克效應(yīng)收割機(jī)可以與溫差低至1℃的操作使用。這些小的差別通常在身體佩帶的傳感器，其中的主要熱源是人的皮膚的溫度和它們的直接環(huán)境之間的差遇到。轉(zhuǎn)換器的振蕩頻率是由變壓器次級(jí)繞組的電感確定，并且通常在10千赫至100千赫的范圍內(nèi)。對(duì)于輸入電壓低至20 mV的，約1初級(jí)次級(jí)匝數(shù)比：100推薦的線性。類似于TPS61200，以允許與兩個(gè)低電壓，永久有源電路和睡眠功能的微處理器使用，有多個(gè)電壓輸出。還有永久啟用VAUX時(shí)，LTC3018已經(jīng)不僅僅是一個(gè)VOUT引腳能夠產(chǎn)生高達(dá)3.3 V的，但也有2.2 V LDO的輸出設(shè)計(jì)為與低功耗微控制器使用。為了幫助支持能量采集應(yīng)用，將Cymbet和IXYS開發(fā)小型便攜式太陽(yáng)能電池。所述Cymbet的CBC-PV-01是在與大約30平方厘米的收集區(qū)域的玻璃基板的低電壓非晶硅太陽(yáng)能電池。其典型工作電壓為0.8V約為200μA，在200勒克斯熒光燈下的輸出電流。組織成一個(gè)小串的細(xì)胞的SOP8封裝里面，IXYS CPC1822提供更高的輸出電壓比單個(gè)細(xì)胞，允許與更普通DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用。額定輸出電壓為4V，在直接陽(yáng)光和人造光運(yùn)作，提供下6000勒克司陽(yáng)光直射的50微安的短路電流。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來(lái)越普遍，我們可以期待一個(gè)更側(cè)重于DC / DC轉(zhuǎn)換器，提供高效率升壓轉(zhuǎn)換以及專門的收割機(jī)提供與開關(guān)模式電源技術(shù)更好的兼容性。