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因應能量採集的低功率轉換
 

【作者: Tony Armstrong】   2015年04月01日 星期三

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在我們的周圍存在著許多的環境能量,能量採集的傳統方法一直是借助太陽能電池板和風力發電機。不過,新的採集工具允許我們利用各式環境能量來源以產生電能。而且,重要之處不是電路的能量轉換效率,而是可以用來為電路供電的「平均採集」能量數量。例如:熱電產生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動、光伏元件用於轉換太陽能(或任何光子源)、而電流元件則可從濕氣實現能量轉換。因此這就可能可為遠端感測器供電,或者對電能儲存元件(例如:電容器或薄膜電池)進行充電,以便微處理器或發送器能夠無需本地電源而接受遠端供電。


然而,正是在功率譜的「低」端(此處,WSN和感測器中的毫微功率轉換變得越來越普遍)才需要可以使用非常低功率和電流的電源轉換IC。這些常常分別是幾十微瓦(uW)功率和幾十奈安培(nA)電流。不過,此類工作電流不到1uA 的電源轉換產品(包括電池充電器)的供貨源卻是極其有限。


一般來說,要為能量採集應用所接納和採用,必需具備的 IC 性能特徵包括:


*低待機靜態電流—通常小於6A,並可低至450nA


*低啟動電壓—低至 20mV


*高輸入電壓能力—高達34V (連續)和40V (瞬態)


*能夠處理AC輸入


*多輸出能力和自主型系統電源管理


*針對太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)


*精小的解決方案和極少的外部元件


無線感測器節點(WSN)基本上是一種獨立系統,它由一些換能器組成,能將環境能量源轉換成電訊號,位於其後的通常是一個DC/DC轉換器和管理器,以透過合適的電壓位準和電流為下游電子元件供電。下游電子元件包括微控制器、感測器和收發器組成。


當試圖實現WSN時,需要考慮一個問題:運作這個WSN需要多少功率?從概念上說,這似乎是一個相當簡單的問題;然而實際上,由於受到若干因素的影響,這是一個有點難以回答的問題。例如:需要間隔多長時間獲取一次讀數?或者,更重要的是,資料封包將有多大以及傳送它需要多大的功率? 這是因為獲取和傳輸一次感測器讀數,系統所用能量約有 50%是收發器消耗掉的。有多種因素會影響能量採集系統或 WSN 的功耗特性,必需把它們全部考慮在內。


當然,由能量採集源所提供的能量取決於電源工作多久。因此,比較能量採集電源的主要衡量標準是功率密度,而不是能量密度。能量採集系統的可用功率一般很低、隨時變化且不可預測,因而通常採用一種與能量採集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。採集器 (由於能量供給不受限制和功率不足) 是系統的能量源。輔助電能儲存器(一個電池或一個電容器)可產生較高的輸出功率,但儲存的能量較少,它在需要的時候供電,其他情況下則定期接收來自採集器的電荷。所以,在沒有可供採集功率的環境能量時,必須採用輔助電能儲存器為WSN 供電。當然,從系統設計人員的角度來看,這增加了複雜性,因為他們現在必須考慮:必須在輔助電能儲存器中儲存多少能量才能補償環境能量源的不足。


顯然,WSN必須使用非常低級別的能量(當其可用時)。這又意味著,系統中所使用的元件必須要能夠處理這些低功率級別。雖然收發器和微控制器已經解決了這個問題,但是在與之相關的電源轉換和電池充電這方面仍然存在空白。不過,凌力爾特開發的LTC3388-1 / LTC3388-3和LTC4071可專門因應這些要求。


LTC3388-1 / LTC3388-3是一款能接受20V輸入的同步降壓轉換器,其可提供高達50mA 的連續輸出電流,採用3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝(圖1)。該元件在2.7V至20V 的輸入電壓範圍內工作,因而非常適用於多種能量採集和電池供電應用,包括「保持有效」 (keep-alive)的感測器和工業控制電源。


LTC3388-1 / LTC3388-3運用遲滯同步整流方法,以在很寬廣的負載電流範圍內優化效率。其在15uA至50mA負載範圍內可提供超過90%的效率,且僅需400nA的靜態電流,從而使其能夠在採用電池作為輔助電源的場合延長電池壽命。


LTC3388-1 / LTC3388-3具有準確的欠壓鎖住(UVLO)保護功能,以在輸入電壓降至低於 2.3V時停用轉換器,從而將靜態電流減小至僅400nA。一旦處於穩定狀態(無負載時),LTC3388-1 / LTC3388-3將進入睡眠模式,以將靜態電流降至最低,使其達到僅720nA。然後該降壓型穩壓器按需導通和斷開,以保持輸出穩定。當輸出在持續時間很短的負載(例如:無線數據機,這類負載要求低漣波)情況下處於穩定狀態時,另一種備用模式禁止執行開關切換。這種高效率、低靜態電流設計適合於能量採集,此類應用需要長充電週期,同時以短突發負載為感測器和無線數據機供電。


電池常常用作WSN中的輔助備用電源;然而,如何利用低功率電源對其進行充電的設計難題卻並非微不足道!凌力爾特的LTC4071是一款並聯電池充電器系統,其擁有整合式電池組保護和一種低電池電量斷接功能,以避免低容量電池由於自放電而受損。其為一款簡單卻十分精細的充電器和保護器,適用於鋰離子/鋰聚合物電池。其超低的550nA工作電流使其能採用先前無法使用的非常低電流、間歇或連續充電電源(例如:依靠能量採集應用提供電能的充電電源)來充電。一個內部電池熱量調理器可降低浮動電壓,以在電池溫度升高時保護鋰離子/鋰聚合物電池、鈕扣型電池或薄膜電池。LTC4071採用扁平8接腳2mm x 3mm DFN封裝,提供一款完整和超精小的充電器解決方案,只需單個與輸入電壓相串聯的外部電阻。


儘管可攜式應用和能量採集系統正常工作時功率級別差異很大(從數微瓦至高於1W),且有許多電源轉換IC可供系統設計師選擇,不過,在需要轉換毫微安電流的較低功率情況下,選擇就變得有限了。


幸運的是,目前已經有可供設計者選擇的電源轉換和電池充電解決方案,其低於1uA的靜態電流可為低功率感測器和新一代WSN中「保持有效」的電路延長電池壽命。


(本文作者Tony Armstrong為凌力爾特產品行銷總監)


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