低功率轉(zhuǎn)換為能量收集

有大量的環(huán)境能源在美國和能量收集的傳統(tǒng)方法在世界各地已經(jīng)通過太陽能電池板和風力發(fā)電機。然而，新的捕撈工具使我們能夠從各種各樣的環(huán)境資源產(chǎn)生電能。此外，它不是很重要的電路的能量轉(zhuǎn)換效率，但更多的“平均收獲”能量可用來驅(qū)動它的量。例如，熱電發(fā)生器將熱能轉(zhuǎn)換為電能，壓電元件將機械振動，光伏將太陽光(或任何光子源)和電療法防潮轉(zhuǎn)換能量。這使得有可能提供動力遠程傳感器，或者一個存儲裝置充電，例如一個電容器或薄膜電池，使得微處理器或發(fā)射機可以從遠程位置供電，而不一個本地電源。

然而，它在功率譜，其中，在無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)和傳感器毫微功率轉(zhuǎn)換正變得越來越普遍的“低”端，即需要進行功率轉(zhuǎn)換IC可與功率和電流的非常低的水平工作是必要的。這些通常是幾十電流的微瓦和納安的分別。然而，這樣的功率轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，包括電池充電器，在操作的可用性低于1μA的電流都極為有限。

概括地說，根據(jù)需要包含在這些應用中必要的集成電路的性能特征包括以下：

低待機靜態(tài)電流 - 通常比6μA以下，低至450 nA的

低啟動電壓 - 低至20毫伏

高輸入電壓能力 - 高達34 V連續(xù)40 V瞬態(tài)

能夠處理交流輸入

多種輸出能力和自治系統(tǒng)電源管理

最大功率點控制(MPPC)太陽能輸入

緊湊的解決方案與足跡最少的外部元件

無線傳感器網(wǎng)絡基本上包括某種換能器的環(huán)境能量源轉(zhuǎn)換成電信號，之后通常通過DC / DC轉(zhuǎn)換器和管理器供給下游電子與正確的電壓電平與當前的自包含的系統(tǒng)。下游電子電路由一個微控制器，傳感器和收發(fā)器的。

當試圖實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡，一個很好的問題要考慮的是：多大的權力是必要的操作呢?從概念上講這似乎相當簡單;然而，在現(xiàn)實中卻是有點困難，因為許多因素。舉例來說，一個不讀書需要多么頻繁采取?或者，更重要的是，如何將大數(shù)據(jù)包是多少權力是需要的要發(fā)送的?這是由于收發(fā)信機消耗為單個傳感器讀數(shù)和傳輸系統(tǒng)所用的能量的大約50%。有幾個因素會影響一個能量收集系統(tǒng)或無線傳感器網(wǎng)絡的功耗特性，它們都需要被考慮在內(nèi)。

當然，由能量收集源提供的能量取決于源多久可用。因此，主要指標的清理源比較的功率密度，而不是能量密度。能量收集是一般受到低，可變的和不可預測水平的可用功率，所以一個混合結構，它連接到收割機和次級電力存儲器經(jīng)常被使用。因為在功率其無限的能源供應和不足的收割機，是該系統(tǒng)的能量源。次級電力存儲器，無論是電池或電容器，產(chǎn)生更高的輸出功率，但存儲較少的能量，在必要時，但以其他方式定期從收割機接收充電供電。因此，在情況下，當不存在環(huán)境能量從中收獲功率，二次電源儲存必須用于無線傳感器網(wǎng)絡供電。當然，從系統(tǒng)設計人員的角度看，這增加了復雜性的進一步的程度，因為它們現(xiàn)在必須考慮到多的能量必須如何存儲在第二儲存器，以補償不足的環(huán)境能量源。

很顯然，無線傳感器網(wǎng)絡必須提供使用時的能量非常低的水平。這，反過來，這意味著在系統(tǒng)中使用的部件必須能夠處理這些低功率水平。而這已經(jīng)達到與收發(fā)器和微控制器，在等式的功率轉(zhuǎn)換和電池充電側(cè)一直存在的空隙。不過，凌力爾特開發(fā)了LTC3388-1 / -3和LTC4071，專門解決這些需求。

該LTC3388-1 / -3是一個20 V輸入能夠同步降壓轉(zhuǎn)換器，可以提供高達連續(xù)輸出電流50毫安3毫米×3毫米(或MSOP10-E)封裝 - 見圖1。它工作于輸入電壓范圍為2.7 V至20 V，因此非常適合廣泛的能量收集和電池供電的應用，包括“保持活躍”，傳感器和工業(yè)控制電源。

凌力爾特LTC3388-1圖片/ -3典型應用電路圖

圖1：LTC3388-1 / -3典型應用電路圖

該LTC3388-1 / -3利用遲滯同步整流以優(yōu)化效率在寬負載電流范圍內(nèi)。它可以提供超過90%的效率為負載從15微安到50mA，只需要400 nA的靜態(tài)電流，從而使其能夠提供更長的電池壽命，其中一個被用于輔助電源。

該LT3388-1 / -3集成了一個精確的欠壓鎖定(ULVO)功能，當輸入電壓低于2.3 V，靜態(tài)電流降低到只有400 nA的禁用該轉(zhuǎn)換器。一旦在調(diào)節(jié)(在無負載時)，則LTC3388-1 / -3進入睡眠模式，以盡量減少的靜態(tài)電流到只有720 nA的。降壓轉(zhuǎn)換器然后接通，并根據(jù)需要來維持輸出調(diào)節(jié)關閉。另外一個備用模式會禁用切換，而輸出是用于調(diào)節(jié)時間短負載，如無線調(diào)制解調(diào)器，需要低紋波。這種高效率，低靜態(tài)電流的設計非常適用于能量采集，這需要很長的周期充電伴隨短脈沖負載供電的傳感器和無線調(diào)制解調(diào)器。

很多時候，電池用作無線傳感器網(wǎng)絡輔助備用電源;但是，如何將其從低電源充電的設計挑戰(zhàn)不是微不足道的。 Linear公司的LTC4071是并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，包括集成的電池保護和低電池斷開功能，以保護低容量電池的損害，由于自放電。這是一個簡單而復雜的充電器和保護鋰離子/聚合物電池。其超低的550 nA的工作電流支持從以前不能使用的非常低電流，間歇或連續(xù)充電電源，例如，從能量收集應用提供充電。一個內(nèi)部電池熱量查驗器降低浮置電壓，以保護鋰離子/聚合物電池，紐扣電池或薄膜電池在電池溫度升高。坐落在一個低調(diào)的8引線2毫米x 3毫米DFN封裝，LTC4071的提供，只需串聯(lián)在輸入電壓需要一個外部電阻一個完整和超緊湊的充電器解決方案。

即使便攜式應用和能量采集系統(tǒng)具有寬范圍功率電平的正確的操作，從微瓦到大超過1瓦，有由系統(tǒng)設計者可用于選擇許多功率轉(zhuǎn)換IC。但是，它是在功率范圍，其中該水平落入該選擇變得有限的毫微功率電平的下端。

幸運的是，電源轉(zhuǎn)換和電池充電可用于設計師從具有小于一個微安靜態(tài)電流來選擇，以延長電池壽命的低功率傳感器?；铍娐泛托乱淮鸁o線傳感器網(wǎng)絡的解決方案。