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面向能量搜集的低功率转化

在我们的周围存在着许多的环境能量,能量收集的传统方法一直是借助太阳能电池板和风力发电机。不过,新的收集工具允许我们利用各种各样的环

在咱们的周围存在着许多的环境能量,能量搜集的传统办法一直是凭借太阳能电池板和风力发电机。不过,新的搜集东西答应咱们运用各式各样的环境能量源来发生电能。并且,重要之处不是电路的能量转化功率,而是那些可以用来给电路供电的“均匀搜集”能量数量。例如:热电发生器可将热量转化为电力、压电组件可转化机械振动、光伏组件用于转化太阳能 (或任何光子源)、而电流组件则可从湿气完成能量转化。这就有可能给长途传感器供电,或许对电能存储器材 (例如:电容器或薄膜电池) 进行充电,以便微处理器或发送器可以无需本地电源而承受长途供电。

但是,正是在功率谱的 “低” 端 (这儿,WSN 和传感器中的毫微功率转化变得越来越遍及) 才需求那种可以运用十分低的功率和电流的电源转化 IC。这些常常分别是几十微瓦 (μW) 功率和几十纳安 (nA) 电流。不过,此类作业电流不到 1μA 的电源转化产品 (包含电池充电器) 的供货源却是极端有限。

一般地说,要想为能量搜集运用所接纳和选用,必需具有的 IC 功用特征包含:

l 低待机静态电流 —— 一般小于 6μA,并可低至 450nA

l 低发动电压 —— 低至 20mV

l 高输入电压才干 —— 高达 34V (接连) 和 40V (瞬态)

l 可以处理 AC 输入

l 多输出才干和自主型体系电源办理

l 针对太阳能输入的最大功率点操控 (MPPC)

l 紧凑的处理方案占板面积和很少的外部组件

无线传感器节点 (WSN) 基本上是一种独立体系,它由一些换能器组成,能将环境能量源转化成电信号,坐落这以后的一般是一个 DC/DC 转化器和办理器,以经过适宜的电压电平缓电流为下流电子组件供电。下流电子组件包含微操控器、传感器和收发器组成。

当企图完成 WSN 时,需求考虑一个有利的问题:运转这个 WSN 需求多少功率? 从概念上说,这似乎是一个适当简略的问题;但是实际上,因为遭到若干要素的影响,这是一个有点难以答复的问题。例如:需求距离多长时间获取一次读数? 或许,更重要的是,数据包将有多大以及传送它需求多大的功率? 这是因为,获取和传输一次传感器读数,体系所用能量约有 50% 是收发器消耗掉的。有多种要素会影响能量搜集体系或 WSN 的功耗特性,必需把它们悉数考虑在内。

当然,由能量搜集源所供应的能量取决于电源作业多久。因此,比较能量搜集电源的首要衡量标准是功率密度,而不是能量密度。能量搜集体系的可用功率一般很低、随时改变且不行猜测,因此一般选用了一种与能量搜集器和一个辅佐电能贮存器相连的混合结构。搜集器 (因为能量供应不受约束和功率缺乏) 是体系的能量源。辅佐电能贮存器 (一个电池或一个电容器) 可发生较高的输出功率,但贮存的能量较少,它在需求的时分供电,其他情况下则定时接纳来自搜集器的电荷。所以,在没有可供搜集功率的环境能量时,有必要选用辅佐电能贮存器给 WSN 供电。当然,从体系规划人员的视点来看,这进一步增加了复杂性,因为他们现在有必要考虑:有必要在辅佐电能贮存器中贮存多少能量才干补偿环境能量源的缺乏。

明显,WSN 有必要运用十分初级其他能量 (当其可用时)。这又意味着,体系中所运用的组件有必要要可以处理这些低功率等级。虽然收发器和微操控器现已处理了这个问题,但是在与之相关的电源转化和电池充电这方面依然存在空白。不过,凌力尔特开发的 LTC3388-1 / LTC3388-3 和 LTC4071可以专门应对这些要求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款能承受 20V 输入的同步降压型转化器,其可供应高达 50mA 的接连输出电流,选用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封装,见图 1。该器材在 2.7V 至 20V 的输入电压范围内作业,因此十分适用于多种能量搜集和电池供电运用,包含 “坚持有用” 的传感器和工业操控电源。

图 1:LTC3388-1 / LTC3388-3 典型运用原理图

LTC3388-1 / LTC3388-3 运用迟滞同步整流办法,以在很宽的负载电流范围内优化功率。其在 15μA 至 50mA 负载范围内可供应超越 90% 的功率,且仅需 400nA 的静态电流,然后使其可以在选用电池作为辅佐电源的场合延伸电池寿数。

LTC3388-1 / LTC3388-3 具有精确的欠压闭锁 (UVLO) 维护功用,以在输入电压降至低于 2.3V 时停用转化器,然后将静态电流减小至仅为 400nA。一旦处于安稳状况 (无负载时),LTC3388-1 / LTC3388-3 将进入睡觉形式,以最大极限地下降静态电流,使其到达仅为 720nA。然后,该降压型稳压器按需接通和断开,以坚持输出安稳。当输出在持续时间很短的负载 (例如:无线调制解调器,这类负载要求低纹波) 情况下处于安稳状况时,另一种备用形式制止履行开关切换。这种高功率、低静态电流规划十分适合于能量搜集,此类运用需求长充电周期,一起以短突发负载为传感器和无线调制解调器供电。

电池常常用作 WSN 中的辅佐备用电源;但是,怎样运用低功率电源对其进行充电的规划难题却并非微缺乏道!凌力尔特的 LTC4071 是一款并联电池充电器体系,其具有集成型电池组维护和一种低电池电量断接功用,以防止低容量电池因为自放电的原因此受损。它是一款简略却十分精密的充电器和维护器,适用于锂离子 / 锂聚合物电池。其超低的 550nA 作业电流使得可以选用曾经不能用的十分低电流、间歇或接连充电电源 (例如:依托能量搜集运用供应电能的充电电源) 来充电。一个内部电池热量调度器可下降浮置电压,以在电池温度升高时维护锂离子 / 锂聚合物电池、钮扣型电池或薄膜电池。LTC4071 选用扁平 8 引脚 2mm x 3mm DFN 封装,其供应了一款完好和超紧凑的充电器处理方案,只需单个与输入电压相串联的外部电阻。

虽然便携式运用和能量搜集体系正常作业时功率等级差异很大 (从数微瓦直至高于 1W),有许多电源转化 %&&&&&% 可供体系规划师挑选。不过,在需求转化毫微安电流的较低功率情况下,挑选就变得有限了。

走运的是,现在现已有了可供规划师挑选的电源转化和电池充电处理方案,其低于 1μA 的静态电流可为低功率传感器和新一代 WSN 中 “坚持有用” 的电路延伸电池寿数。

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