有關(guān)微型能源采集技術(shù)的關(guān)鍵應(yīng)用問題及解決方案

另外，也可以考慮使用一個(gè)以上的電源轉(zhuǎn)換器。圖3所示的同步整流器電路雖不能提供穩(wěn)定的電源，但它是對(duì)向另一個(gè)效率更高的電源轉(zhuǎn)換器的定期發(fā)送高功率脈沖的電容，進(jìn)行充電的良好解決方案。這個(gè)效率更高的轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)處理應(yīng)用電路所需的信號(hào)調(diào)節(jié)。

圖 3：同步整流器電路。

在一些應(yīng)用中，另一種柵極電荷操作(即使用電壓源柵極電荷電路)可大大提高效率。這種方法可將電路中的幾個(gè)晶體管從小到大進(jìn)行排列(如圖4所示)。

圖4：晶體管寬度轉(zhuǎn)換帶來的效率優(yōu)勢(shì)。

伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)的電路也可以自動(dòng)檢測(cè)功耗，并同時(shí)可采用適當(dāng)尺寸和數(shù)量的晶體管來保持高效率。較高值的晶體管可在高功率情況下使用，當(dāng)系統(tǒng)以待機(jī)功率水平運(yùn)行時(shí)，可采用較小的晶體管。圖4顯示了這種方案比不按晶體管尺寸進(jìn)行優(yōu)化的方案更具有優(yōu)勢(shì)。

在實(shí)施上述方案時(shí)應(yīng)記住，設(shè)計(jì)最高效的轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生最多能量的傳統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換方式并不總是適用于微型能量采集。應(yīng)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量輸出進(jìn)行優(yōu)化作為追求的目標(biāo)。有時(shí)，這意味著設(shè)計(jì)方案并不以系統(tǒng)各部分均達(dá)到最高效率為目標(biāo)。

對(duì)IC的判定選擇

設(shè)計(jì)人員必須清楚其選擇 IC 技術(shù)的含義。至少在潛意識(shí)中，每個(gè)人都意識(shí)到高級(jí)技術(shù)節(jié)點(diǎn)能生產(chǎn)出更高效率的半導(dǎo)體器件。在常規(guī)電路設(shè)計(jì)中，常常會(huì)忽視這種差別，因?yàn)閬單⒚灼骷某杀緝?yōu)勢(shì)被認(rèn)為超過其效率所帶來的優(yōu)勢(shì)。微型能量采集應(yīng)用改變了這個(gè)規(guī)則。

比如，對(duì)于早期能量采集應(yīng)用，伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設(shè)計(jì)的小型電源轉(zhuǎn)換器通過采用1.5μm工藝和8μm電感器構(gòu)建的IC可實(shí)現(xiàn)53%的效率。在考慮如何改進(jìn)轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)于采用不同工藝技術(shù)和電感器尺寸的各種組合可能達(dá)到的不同效率，設(shè)計(jì)小組進(jìn)行了計(jì)算。

圖5顯示了計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算，最先進(jìn)的技術(shù)組合(采用銅互連技術(shù)的0.25μm工藝技術(shù)與25μm感應(yīng)器)可實(shí)現(xiàn)81%的效率。此外，圖5也顯示了在哪些地方可避免損耗。

圖 5：采用高級(jí) IC工藝技術(shù)可顯著提升效率。

應(yīng)用的其他部分也需要采用高級(jí)工藝技術(shù)的IC，包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平臺(tái)就是一個(gè)很好的例子，該MCU在工作狀態(tài)的功耗僅為160uA/MHz，在待機(jī)狀態(tài)的功耗還不到500nA。此外，TI提供的器件還可在緊湊的單芯片設(shè)計(jì)中，將TI超低功耗MCU與高度靈活的射頻 (RF)收發(fā)器結(jié)合在一起，以實(shí)施無需線纜或電池即能檢測(cè)并報(bào)告工廠、汽車、辦公室、家庭以及其他環(huán)境中緊急情況的環(huán)境感知智能。例如，AdaptivEnergy的免電池Joule-Thief技術(shù)與完美結(jié)合的TI MSP430微處理器、RF以及eZ430-RF2500開發(fā)套件，可實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域環(huán)境智能。圖 6 給出了 Joule-Thief 系統(tǒng)方框圖。

圖 6：Joule-Thief技術(shù)的系統(tǒng)方框圖。

實(shí)現(xiàn)微觀層面的能量采集以及最大程度的節(jié)能，為工程師提供了新的發(fā)展空間，同時(shí)也提出了許多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)將帶來諸多益處，包括可進(jìn)一步開發(fā)“永續(xù)”電子設(shè)備、降低系統(tǒng)生命周期成本、減少產(chǎn)品的環(huán)境影響等。令人振奮的是，現(xiàn)在工具已準(zhǔn)備就緒，可隨時(shí)啟動(dòng)開發(fā)工作。

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