緊湊型太陽能電池板利用創(chuàng)新性能量收集技術(shù)

1  背景信息
     我們周圍到處都是能量，它們以熱、光、電流甚至機 電能的形式存在。不過，人們常常發(fā)現(xiàn)，這些能源提供的能 量太少了，無法為任何實際用途連續(xù)提供充足的功率。實際 上，直到不久前，除了太陽能和地?zé)崮?，一直無法從其他形 式的能源中獲得充足的能量來執(zhí)行任何有用的功能。能量收 集是從一種或多種自然存在的能源中收集微量能量、然后把

圖1 LTC3106 采用太陽能電池板或主電池為下游負(fù)載連續(xù)供電    

圖2 配置為太陽能收集器、具主電池備份電源、給無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電的 LTC3106
收集到的能量累積或存儲起來以備之后使用的過程。能量收
集設(shè)備可以高效采集、累積、存儲、調(diào)節(jié)和管理環(huán)境能量，
而且所用調(diào)節(jié)方式適合將這類能量用于執(zhí)行有用的功能。
最近的技術(shù)進(jìn)步提高了從自然環(huán)境中獲得微量能量并 將其轉(zhuǎn)換成電能的效率。此外，轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步不僅提高 了電源轉(zhuǎn)換效率，還降低了轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功耗。這些進(jìn)步激 發(fā)了工程界的興趣，促使他們開發(fā)出更多利用能量收集技術(shù) 的應(yīng)用。
在遠(yuǎn)程應(yīng)用的部署中，從根本上不可能耗盡的自然環(huán) 境能源中收集能量替代有線電源或電池，日益成為一種備受
關(guān)注的供電方式。自然能源從本質(zhì)上來說是免費能源，如果得到恰當(dāng)利用，不僅無需維護(hù)，而且在很多應(yīng)用的生命周期
中始終可用。
另外，能量收集可以用于輔助能源以補充電池等主電 源，從而極大地延長了電池壽命，降低維護(hù)費用。

2 能量收集應(yīng)用
現(xiàn)在有很多應(yīng)用將能量收集電源作為主電源使用。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 常常受益于能量收集電源。如
果在一個偏遠(yuǎn)地點部署無線節(jié)點，有線電源或電池或者不夠 可靠或者不可用，那么就可用收集的能量提供節(jié)點運行所需 功率。在其他一些情況下，多種能源選擇可以提高系統(tǒng)的總 體效率和可靠性。
一些較常見的可收集能量包括：
? 機械能 – 來自振動、機械壓力和應(yīng)變力；
?  熱能 – 爐子、加熱器、馬達(dá)和摩擦運動等浪費的能 量；
? 光能 – 通過光電二極管或太陽能電池從太陽光或室內(nèi)
照明中獲得的能量；
? 電磁能 – 來自電感器、線圈和變壓器；
? 自然環(huán)境中的能量 – 來自風(fēng)、水流、洋流、電流和太 陽；
? 人體能量 – 通過運動等產(chǎn)生的機械能和熱能；
? 其他能量 – 來自化學(xué)和生物源。
需要提到的重要一點是，幾乎所有這些能源都不受限 制，且本質(zhì)上是免費的，只要在系統(tǒng)部署位置或系統(tǒng)部署位 置附近能夠獲得就行。
典型的能量收集系統(tǒng)需要諸如振動、熱量或光等能源

圖3    在可變光照情況下測得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲線  

圖4   圖2原理圖的應(yīng)用負(fù)載曲線

以及一些關(guān)鍵電子組件，包括：
? 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (換能器)，例如壓電組件或太陽能電池 板，可將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電能；
? 能量收集轉(zhuǎn)換 IC 以獲得、存儲和管理電能；
?  傳感器、微控制器和收發(fā)器，作為  WSN 的組成部分 以讀取、記錄和傳送數(shù)據(jù)；
? 可選的補充性能量存儲設(shè)備，例如薄膜型主電池或超 級電容器。
很重要的一點是，電源轉(zhuǎn)換設(shè)備需要有很高的效率和 很低的靜態(tài)電流，這樣大部分收集的能量才能用于給傳感器 網(wǎng)絡(luò)或控制電路供電，或者用來監(jiān)視設(shè)備。此外，必須了解可收集能源能夠提供多大的平均功率，以及給特定設(shè)備供電
需要多少能量 (工作占空比)。


3 能量收集 IC 解決方案
幸運的是，為了處理、存儲和使用收集的能量，凌力 爾特提供了幾款能量收集器件。LTC3106 是其中之一，這 是一款高集成度、超低電壓降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器， 具備為多種輸入能源和低功率系統(tǒng)而優(yōu)化的自動電源通路 (PowerPath) 管理功能。如果主電源不可用， LTC3106 就無 縫地切換到備份電源，且與可再充電電池 或主電池兼容，無論何時，只要有剩余能 量可用，就可以給備份電池涓流充電。如 果使用的輸入能源是光源，那么可選最大 功 率 點 控 制 功 能 優(yōu) 化 電 源 和 負(fù) 載 之 間 的 功率傳送。在無負(fù)載時，LTC3106 僅消耗
1.6μA 電流，并能從任何輸入能源產(chǎn)生高 達(dá) 5V 的輸出電壓。圖  1 顯示了一個典型的 原理圖。
LTC3106 采用電源通路 (PowerPath?)控制架構(gòu)，允許使用單個電感器，通過在 兩個電源輸入之間無縫轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生用戶可 選和固定的穩(wěn)定輸出電壓。如果輸入電源 (VIN) 可用，降壓-升壓型穩(wěn)壓器就用 VIN 工 作，向負(fù)載提供高達(dá) 300mA 的電流。如果 VIN 不可用，穩(wěn)壓器選擇 VSTORE/VCAP 作為其 輸入，向負(fù)載提供高達(dá)  50mA 的電流。如果用可再充電電池作為備份電源，那么還提供小電流再充電電源通路，從而允許在 輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，用多余的輸入能量給備份電源充 電。用戶可選擇不同的充電 / 放電門限適用于多種化學(xué)組成 的電池，可防止過度充電 / 深度放電保護(hù)電池。當(dāng)主電池用 作備份電源時，充電可以通過PRI從外部禁止。
在沒有備份電源時，主輸入電壓  VIN 可配置為在 850mV 至 5.1V 電壓范圍內(nèi)工作，有備份電源時 (例如主電池) 則配 置為在 330mV 至 5.1V 范圍內(nèi)工作。這樣的范圍適合多種類 型的電源，包括高阻抗電源 (例如小型太陽能電池板)。為了 確保獲得最大功率，LTC3106 集成了一個準(zhǔn)確的 RUN 引腳 和可選最大功率點函數(shù)。二者均可用來控制穩(wěn)壓器接通點，
使其位于輸入電源的最大功率點上。對于較高功率的輸入電源而言，準(zhǔn)確的 RUN 引腳函數(shù)非常適合用來將可預(yù)測的穩(wěn)
壓器接通點設(shè)定到特定輸入電壓上。
如果由可收集能量提供的輸入電壓消失了，主電池或 輔助電池可從 VSTORE 連接至 GND，以給系統(tǒng)供電。如果電 池可再充電，將從這個引腳向電池涓流充電，直至達(dá)到最高 可選電壓。LTC3106 可由兩個輸入電壓源之一啟動，優(yōu)先選擇 VIN
。最初在同步整流器被禁止的情況下對VAUX充電，一旦 VAUX 達(dá)到最終電壓，輸出電壓也開始異步充電，直至  VOUT 達(dá)到 約 1.2V。然后，轉(zhuǎn)換器退出異步模式，以支持更高效的同步 啟動模式，直至 VOUT  處于穩(wěn)定狀態(tài)，器件進(jìn)入正常工作模 式為止。VAUX 充電時輸出電壓也會上升。主輸出電壓是用戶 設(shè)定的，可設(shè)定為 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 任意一個預(yù)置穩(wěn) 定電壓。


4 設(shè)計實例
在僅由電池供電的傳統(tǒng)型無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中，主控制單 元 (MCU) 直接連接到電池。在這類應(yīng)用中，有幾種因素導(dǎo) 致電池容量減小。一般而言，這類無線系統(tǒng)以非常低的頻率 輪詢節(jié)點，空閑階段功率非常低，偶爾需要與該節(jié)點通信 時，會有一些大電流脈沖。有脈沖負(fù)載時，峰值電流可能遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大于電池制造商給出的標(biāo)稱漏電流，從而使電池容量減小 到在典型靜態(tài)漏電流情況下所規(guī)定的值以下。此外，就大多 數(shù) MCU (典型最小值為 2V) 而言，可用輸入電壓限制了可用 電池容量。
圖2所示應(yīng)用電路顯示了與  AM-1816 太陽能電池板連 接的 LTC3106，其總體尺寸為  9.8cm x 5.7cm (胸卡大小)， CR2032 主電池起補充作用，該應(yīng)用電路配置為向脈沖負(fù)載 輸出供電。盡管能量收集系統(tǒng)可能無需電池，但是電池可以 起到補充作用，而且壽命得以延長。當(dāng)有充足的環(huán)境能源可 用時，就不給電池加載，僅當(dāng)環(huán)境能源不足以帶動負(fù)載時， 才啟用電池。這不僅延長了電池壽命，從而提高了可靠性， 同時還降低了維護(hù)成本。
LTC3106 的主輸入電壓 (VIN) 范圍很寬，可以滿足高阻 抗太陽能電池的各種需求。太陽能電池按照輸出功率、所用 材料 (晶體硅、無定形硅、化合物半導(dǎo)體等) 和應(yīng)用環(huán)境 (室 內(nèi)或室外照明) 進(jìn)行分類。三洋電機的 Amorton 產(chǎn)品線 (松 下一個子公司的產(chǎn)品) 提供了多種太陽能電池，以滿足各種照明條件 (參見表 1，了
解典型照明條件)、功率 大小以及針對特定應(yīng)用 的尺寸和形狀定制電池 的要求。
A M- 1 8 1 6 板 的 I -V和 P-V 曲線如圖 3 所示。電池的最大功率 (PMAX) 隨光照強弱 而變化，但是 PMAX 點上的電壓波動輕微。在這個應(yīng)用實例 中，VIN  門限電壓用 RUN 引腳上的電阻分壓器設(shè)定為等于 PMAX 點上的電壓。輸入電壓上升的 UVLO 門限 VIN(OV) 設(shè)定為
4.2V。由于內(nèi)部遲滯， VIN(UV) 為 3.8V，從制造商提供的有關(guān) AM-1816 太陽能電池的  I-V 和 P-V 數(shù)據(jù)看，最大功率點上的 平均 VIN 電壓約為 4V。

就這個應(yīng)用而言，負(fù)載是低功率  RF 設(shè)備，其負(fù)載曲線 如圖 4 所示。工作區(qū)、輸出和功耗如表2所示，表中還列出 了每個工作狀態(tài)下的峰值電流。
在上述負(fù)載曲線下， LTC3106 總平均功耗為 37μW，電 阻分壓器的功耗為 5μW，總平均功率為165μW，所以，總的 輸入功率需求為 207μW。計算得出的平均效率 (包括電阻分 壓器在內(nèi)) η = 165μW/207μW = 80%。200 流明時 AM-1816 的 可用功率約為  400μW。在約為 80% 的轉(zhuǎn)換器效率下，它給 總功率需求為  207μW 的負(fù)載供電有一定的裕度，無需從電 池汲取電流。如果光照條件變差，那么可用輸入功率也許會 降至低于保持輸出電壓所需的值。這時，LTC3106 會以“打 嗝”模式工作，在  VIN 升至高于 4.2V 時接通，降至低于  3.8V 時斷開。當(dāng) VIN 斷開時，就用 VSTORE (主電池) 供電，直至 VIN 恢復(fù)并升至高于  4.2V 門限為止。如果光照條件變得更加有 利，VIN 會升至能量收集電源的開路電壓，并再次提供所有 負(fù)載功率。

5  結(jié)論
即使有些能量收集電源僅能提供很低的可用功率 (如本 文所示胸卡大小的太陽能電池設(shè)計實例)，但它們足以滿足 大多數(shù)無線傳感器的供電需求。LTC3106 降壓-升壓型 DC/ DC 轉(zhuǎn)換器針對低功率系統(tǒng)中常見的多種輸入電源而優(yōu)化， 為多種能量收集應(yīng)用提供必要的功能。因此，諸如 WSN 等 能量收集系統(tǒng)設(shè)計師現(xiàn)在有了有用和恰當(dāng)?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換 IC， 可極大地簡化設(shè)計任務(wù)了。