能量收集從滿足電源管理需求開始

LTC3105是一款超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器和LDO，專門用來極大地簡(jiǎn)化從低壓、高阻抗可替換電源收集和管理能量的任務(wù)，如光伏電池、熱電發(fā)生器（TEG）、燃料電池等電源。其同步升壓型設(shè)計(jì)以低至250mV的輸入電壓?jiǎn)?dòng)，從而使該器件非常適用于在不夠理想的照明條件下，從甚至最小的光伏電池收集能量。其0.2V至5V的寬輸入電壓范圍使該器件成為多種應(yīng)用的理想選擇。集成的最大功率點(diǎn)控制器（MPPC）使LTC3105能抽取電源能所提供的最大可用功率。如果沒有MPPC，電源能產(chǎn)生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動(dòng)調(diào)節(jié)，以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)突發(fā)模式（Burst Mode）工作將靜態(tài)電流降至僅為22μA，從而最大限度地降低了能量?jī)?chǔ)存元件的漏電流。超低IQLDO 能直接給流行的低功率微控制器或傳感器電路供電。如果沒有MPPC，電源轉(zhuǎn)換器能產(chǎn)生的功率僅為理論最大值的一小部分。峰值電流限制自動(dòng)調(diào)節(jié)，以最大限度地提高電源轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)突發(fā)模式（Burst Mode）工作將靜態(tài)電流減小至僅為22μA，從而最大限度地降低了能量?jī)?chǔ)存元件的漏電流。超低IQLDO能直接給常用的低功率微控制器或傳感器電路供電。

圖4 所示電路采用了LTC3105，用單節(jié)光伏電池給單節(jié)鋰離子電池充電。在太陽(yáng)能能源可用時(shí)，該電路能使電池連續(xù)充電，而當(dāng)太陽(yáng)能能源不再可用時(shí)，電池能用儲(chǔ)存的能量給應(yīng)用供電。

圖4 ：利用單節(jié)光伏電池的鋰離子電池涓流充電器。

LTC3105能以低至250mV的電壓?jiǎn)?dòng)。在啟動(dòng)時(shí)，AUX輸出最初在同步整流器禁止的情況下充電。一旦VAUX達(dá)到約1.4V，該轉(zhuǎn)換器就離開啟動(dòng)模式，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。最大功率點(diǎn)控制在啟動(dòng)時(shí)不使能，不過，電流從內(nèi)部限制到足夠低的水平，以允許靠電流非常小的輸入電源啟動(dòng)。盡管該轉(zhuǎn)換器處于啟動(dòng)模式，但是AUX 和VOUT 之間的內(nèi)部開關(guān)仍然保持禁止，而且LDO也是不采用。參見圖5 所示典型啟動(dòng)時(shí)序舉例。

圖5 ：典型的LTC3105啟動(dòng)時(shí)序。

當(dāng)VIN或VAUX高于1.4V 時(shí)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。轉(zhuǎn)換器繼續(xù)給AUX輸出充電，直到LDO輸出進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)為止。一旦LDO輸出進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器就開始給VOUT 引腳充電。VAUX 仍然保持足夠高的值，以確保LDO 處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果VAUX 高于保持LDO穩(wěn)定所需的值，那么就從給AUX輸出充電轉(zhuǎn)變?yōu)榻oVOUT 輸出充電。如果VAUX 下降太多，那么電流就重新流向AUX 輸出，而不是用來給VOUT 輸出充電。一旦VOUT 上升到高于VAUX，就啟動(dòng)一個(gè)內(nèi)部開關(guān)，以將這兩個(gè)輸出連接到一起。

如果VIN高于被驅(qū)動(dòng)的輸出（VOUT 或VAUX）上的電壓，或被驅(qū)動(dòng)的輸出低于1.2V，那么同步整流器就禁止，并以關(guān)鍵的傳導(dǎo)模式工作，從而甚至在VIN>VOUT 時(shí)，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

如果輸出電壓高于輸入電壓并高于1.2V 時(shí)，那么同步整流器就啟動(dòng)。在這種模式時(shí)，SW和GND之間的N溝道MOSFET啟動(dòng)，直到電感器電流達(dá)到峰值電流限制為止。一旦達(dá)到電流限制，N溝道MOSFET就關(guān)斷，SW和被驅(qū)動(dòng)輸出之間的P 溝道MOSFET就啟動(dòng)。該開關(guān)一直保持接通，直到電感器電流降至低于谷值電流限制為止，然后重復(fù)該周期。當(dāng)VOUT 達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，連接到SW引腳的N溝道和P溝道MOSFET都禁止，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入休眠狀態(tài)。

為了給微控制器和外部傳感器供電，一個(gè)集成的LDO提供穩(wěn)定的6mA 軌。該LDO由AUX輸出供電，從而允許該LDO在主輸出仍然在充電時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。LDO的輸出電壓可以是固定的2.2V，或可通過電阻器分壓器調(diào)節(jié)。

集成的最大功率點(diǎn)控制電路允許用戶為給定電源設(shè)定最佳輸入電壓工作點(diǎn)，參見圖6。MPPC電路動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電感器的平均電流，以防止輸入電壓降至低于MPPC門限。當(dāng)VIN高于MPPC電壓時(shí)，電感器電流增大，直到VIIN被拉低至MPPC 設(shè)定點(diǎn)為止。如果VIN低于MPPC電壓，那么電感器電流就減小，直到VIN升高到MPPC設(shè)定點(diǎn)為止。

圖6 ： 面向單節(jié)光伏電池的典型最大功率點(diǎn)控制點(diǎn)。

LTC3105納入了在輕負(fù)載時(shí)最大限度地提高效率的功能，同時(shí)，通過將電感器峰值和谷值電流作為負(fù)載的函數(shù)加以調(diào)節(jié)，還在重負(fù)載時(shí)增強(qiáng)了提供功率的能力。在輕負(fù)載時(shí)，將電感器峰值電流降至100mA，可降低傳導(dǎo)損耗，從而優(yōu)化了效率。隨著負(fù)載增加，電感器峰值電流自動(dòng)提高至400mA（最大值）。當(dāng)在中等負(fù)載時(shí)，電感器峰值電流可能在100mA至400mA 之間變化。上述功能的優(yōu)先級(jí)低于MPPC功能，并僅當(dāng)電源提供的功率超過負(fù)載所需時(shí)才起作用。

在諸如光伏轉(zhuǎn)換之類的應(yīng)用中，輸入電源也許長(zhǎng)時(shí)間不存在。為了在這類情況下防止輸出放電，LTC3105納入了欠壓閉鎖（UVLO）功能，如果輸入電壓降至低于90mV（典型值），那么該功能就強(qiáng)制轉(zhuǎn)換器進(jìn)入停機(jī)模式。在停機(jī)模式，連接AUX和VOUT的開關(guān)啟動(dòng)，LDO置于反向隔離模式，流進(jìn)VOUT的電流降至4μA（典型值）。在停機(jī)模式，通過LDO的反向電流限于1μA，以最大限度地減輕輸出放電。

結(jié)論

由于擁有模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)的人員在全球范圍內(nèi)都處于短缺的局面，因此要設(shè)計(jì)出如圖1所示的高效能量收集系統(tǒng)一直是很困難的事。面臨的主要障礙是與遠(yuǎn)程無線感測(cè)相關(guān)聯(lián)的電源管理。不過，隨著LTC3105、LTC3109和LTC3588-1的推出，這種狀況即將完全改變。這些器件能夠從幾乎所有的光源、熱源或機(jī)械振動(dòng)源提取能量。此外，憑借其全面的功能組合以及設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，它們還極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以完成的功率轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于WSN設(shè)計(jì)師而言這是個(gè)好消息，因?yàn)槠涓呒啥龋ò?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電源管理">電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件）使之成為目前市面上最小、最簡(jiǎn)單和易于使用的解決方案。

因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)規(guī)劃師必須從一開始就優(yōu)先滿足電源管理需求，以確保高效率的設(shè)計(jì)和成功的長(zhǎng)期部署。幸運(yùn)的是，領(lǐng)先的高性能模擬IC制造商現(xiàn)在提供越來越多的能量收集電源管理IC，從而極大地簡(jiǎn)化了此項(xiàng)任務(wù)。