面向能量收集的低功率轉(zhuǎn)換

然而，正是在功率譜的 “低” 端 (這里，WSN 和傳感器中的毫微功率轉(zhuǎn)換變得越來越普遍) 才需要那種可以使用非常低的功率和電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。這些常常分別是幾十微瓦 (μW) 功率和幾十納安 (nA) 電流。不過，此類工作電流不到 1μA 的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品 (包括電池充電器) 的供貨源卻是極其有限。

一般地說，要想為能量收集應用所接納和采用，必需具備的 IC 性能特征包括：

l 低待機靜態(tài)電流 —— 通常小于 6μA，并可低至 450nA

l 低啟動電壓 —— 低至 20mV

l 高輸入電壓能力 —— 高達 34V (連續(xù)) 和 40V (瞬態(tài))

l 能夠處理 AC 輸入

l 多輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

l 針對太陽能輸入的最大功率點控制 (MPPC)

l 緊湊的解決方案占板面積和極少的外部組件

無線傳感器節(jié)點 (WSN) 基本上是一種獨立系統(tǒng)，它由一些換能器組成，能將環(huán)境能量源轉(zhuǎn)換成電信號，位于其后的通常是一個 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過合適的電壓電平和電流為下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器組成。

當試圖實現(xiàn) WSN 時，需要考慮一個有益的問題：運行這個 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，由于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(shù)? 或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包將有多大以及傳送它需要多大的功率? 這是因為，獲取和傳輸一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有 50% 是收發(fā)器消耗掉的。有多種因素會影響能量收集系統(tǒng)或 WSN 的功耗特性，必需把它們?nèi)靠紤]在內(nèi)。

當然，由能量收集源所提供的能量取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低、隨時變化且不可預測，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結(jié)構(gòu)。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統(tǒng)的能量源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產(chǎn)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收集器的電荷。所以，在沒有可供收集功率的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。當然，從系統(tǒng)設(shè)計人員的角度來看，這進一步增加了復雜性，因為他們現(xiàn)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(huán)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(tǒng)中所使用的組件必須要能夠處理這些低功率級別。雖然收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個問題，但是在與之相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換和電池充電這方面仍然存在空白。不過，凌力爾特開發(fā)的 LTC3388-1 / LTC3388-3 和 LTC4071可以專門應對這些要求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款能接受 20V 輸入的同步降壓型轉(zhuǎn)換器，其可提供高達 50mA 的連續(xù)輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，見圖 1。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電應用，包括 “保持有效” 的傳感器和工業(yè)控制電源。

圖 1：LTC3388-1 / LTC3388-3 典型應用原理圖

LTC3388-1 / LTC3388-3 運用遲滯同步整流方法，以在很寬的負載電流范圍內(nèi)優(yōu)化效率。其在 15μA 至 50mA 負載范圍內(nèi)可提供超過 90% 的效率，且僅需 400nA 的靜態(tài)電流，從而使其能夠在采用電池作為輔助電源的場合延長電池壽命。

LTC3388-1 / LTC3388-3 具有準確的欠壓閉鎖 (UVLO) 保護功能，以在輸入電壓降至低于 2.3V 時停用轉(zhuǎn)換器，從而將靜態(tài)電流減小至僅為 400nA。一旦處于穩(wěn)定狀態(tài) (無負載時)，LTC3388-1 / LTC3388-3 將進入睡眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達到僅為 720nA。然后，該降壓型穩(wěn)壓器按需接通和斷開，以保持輸出穩(wěn)定。當輸出在持續(xù)時間很短的負載 (例如：無線調(diào)制解調(diào)器，這類負載要求低紋波) 情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)時，另一種備用模式禁止執(zhí)行開關(guān)切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設(shè)計非常適合于能量收集，此類應用需要長充電周期，同時以短突發(fā)負載為傳感器和無線調(diào)制解調(diào)器供電。

電池常常用作 WSN 中的輔助備用電源;然而，怎樣利用低功率電源對其進行充電的設(shè)計難題卻并非微不足道!凌力爾特的 LTC4071 是一款并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，其擁有集成型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于自放電的原因而受損。它是一款簡單卻十分精細的充電器和保護器，適用于鋰離子 / 鋰聚合物電池。其超低的 550nA 工作電流使得能夠采用以前不能用的非常低電流、間歇或連續(xù)充電電源 (例如：依靠能量收集應用提供電能的充電電源) 來充電。一個內(nèi)部電池熱量調(diào)理器可降低浮置電壓，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 采用扁平 8 引腳 2mm x 3mm DFN 封裝，其提供了一款完整和超緊湊的充電器解決方案，只需單個與輸入電壓相串聯(lián)的外部電阻。

盡管便攜式應用和能量收集系統(tǒng)正常工作時功率級別差異很大 (從數(shù)微瓦直至高于 1W)，有很多電源轉(zhuǎn)換 IC 可供系統(tǒng)設(shè)計師選擇。不過，在需要轉(zhuǎn)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(jīng)有了可供設(shè)計師選擇的電源轉(zhuǎn)換和電池充電解決方案，其低于 1μA 的靜態(tài)電流可為低功率傳感器和新一代 WSN 中 “保持有效” 的電路延長電池壽命。