有關微型能源采集技術的關鍵應用問題及解決方案

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

圖 3：同步整流器電路。

在一些應用中，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晶體管從小到大進行排列(如圖4所示)。

圖4：晶體管寬度轉換帶來的效率優(yōu)勢。

伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設計的電路也可以自動檢測功耗，并同時可采用適當尺寸和數(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，當系統(tǒng)以待機功率水平運行時，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行優(yōu)化的方案更具有優(yōu)勢。

在實施上述方案時應記住，設計最高效的轉換器可產(chǎn)生最多能量的傳統(tǒng)功率轉換方式并不總是適用于微型能量采集。應將對整個系統(tǒng)的能量輸出進行優(yōu)化作為追求的目標。有時，這意味著設計方案并不以系統(tǒng)各部分均達到最高效率為目標。

對IC的判定選擇

設計人員必須清楚其選擇 IC 技術的含義。至少在潛意識中，每個人都意識到高級技術節(jié)點能生產(chǎn)出更高效率的半導體器件。在常規(guī)電路設計中，常常會忽視這種差別，因為亞微米器件的成本優(yōu)勢被認為超過其效率所帶來的優(yōu)勢。微型能量采集應用改變了這個規(guī)則。

比如，對于早期能量采集應用，伊利諾伊斯大學厄巴納香檳分校設計的小型電源轉換器通過采用1.5μm工藝和8μm電感器構建的IC可實現(xiàn)53%的效率。在考慮如何改進轉換器時，對于采用不同工藝技術和電感器尺寸的各種組合可能達到的不同效率，設計小組進行了計算。

圖5顯示了計算結果。根據(jù)計算，最先進的技術組合(采用銅互連技術的0.25μm工藝技術與25μm感應器)可實現(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 IC工藝技術可顯著提升效率。

應用的其他部分也需要采用高級工藝技術的IC，包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平臺就是一個很好的例子，該MCU在工作狀態(tài)的功耗僅為160uA/MHz，在待機狀態(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計中，將TI超低功耗MCU與高度靈活的射頻 (RF)收發(fā)器結合在一起，以實施無需線纜或電池即能檢測并報告工廠、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技術與完美結合的TI MSP430微處理器、RF以及eZ430-RF2500開發(fā)套件，可實現(xiàn)多領域環(huán)境智能。圖 6 給出了 Joule-Thief 系統(tǒng)方框圖。

圖 6：Joule-Thief技術的系統(tǒng)方框圖。

實現(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，同時也提出了許多嚴峻挑戰(zhàn)。戰(zhàn)勝這些挑戰(zhàn)將帶來諸多益處，包括可進一步開發(fā)“永續(xù)”電子設備、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)在工具已準備就緒，可隨時啟動開發(fā)工作。

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