降壓轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)高效的能量收集的解決方案

在某些能量收集應(yīng)用和操作條件下，壓電設(shè)備等傳感器可以產(chǎn)生遠(yuǎn)高于典型工作電平的高輸出電壓。在這些情況下，降壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器為最大化換能器功率輸出提供了簡單的選擇。對于這些類型的高輸入電壓能源，工程師可以使用凌力爾特公司，Maxim Integrated公司和德州儀器公司等公司的可用降壓轉(zhuǎn)換器實施高效的能量收集解決方案。

降壓轉(zhuǎn)換器包括一個電感器以及一對電容器和開關(guān)，設(shè)計使得任何時候只有一個開關(guān)接通。簡單地說，當(dāng)開關(guān)A打開時，開關(guān)B閉合，反之亦然（圖1）。在操作中，開關(guān)交替，使電流流到電感器或接地。當(dāng)開關(guān)A接通時，開關(guān)B斷開，電流從VIN流向電感器。當(dāng)開關(guān)A斷開時，開關(guān)B接通且電感器接地，因此存儲在電感器中的能量被釋放到負(fù)載中。

圖1：在典型降壓轉(zhuǎn)換器（A）的示意圖中，PWM控制器交替打開和關(guān)閉一對開關(guān)，以將電流IA驅(qū)動到電感器或電流IB從電感到主負(fù)載調(diào)節(jié)（B）。 （由Analog Devices提供。）

在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）中，電感電流永遠(yuǎn)不會降至零，而在非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）中，電感電流可能降至零。使用FET的降壓轉(zhuǎn)換器（如圖1所示）稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器;非同步降壓轉(zhuǎn)換器使用肖特基二極管作為開關(guān)B.由于FET具有比肖特基二極管更低的壓降，因此同步降壓轉(zhuǎn)換器通常更有效。

對于采用更高輸入電壓水平運(yùn)行的能量采集應(yīng)用，降壓轉(zhuǎn)換器提供了一種方便的解決方案，可最大限度地提高傳感器的功率輸出。具有線性源阻抗的高輸出電壓傳感器（如壓電器件）以特征功率曲線工作（圖2）。

圖2：具有恒定源阻抗的能量傳感器具有特征功率曲線，在負(fù)載阻抗與傳感器源阻抗匹配的點處具有最大功率輸出。 （由Cymbet提供。）

為了保持最大功率輸出，傳感器必須在與其源阻抗相匹配的負(fù)載阻抗下工作 - 工作電壓通常是器件開路電壓的一半。然而，在實踐中，該操作點（稱為最大功率點（MPP））響應(yīng)于其操作環(huán)境的變化而變化，包括能量源性質(zhì)，溫度和壓電裝置本身的質(zhì)量負(fù)載的變化。

通過降壓轉(zhuǎn)換器，工程師可以通過設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和電感器大小來設(shè)置傳感器的負(fù)載阻抗，并通過改變占空比來動態(tài)改變它，以保持壓電器件的最大功率輸出。結(jié)合全波整流橋，同步轉(zhuǎn)換器可以從壓電裝置產(chǎn)生的交流電壓中提取最大能量，因為它在遠(yuǎn)離其中性點的兩個方向上偏轉(zhuǎn)。

電感的選擇是降壓轉(zhuǎn)換器正常工作的關(guān)鍵問題。通常，工程師可以從制造商的數(shù)據(jù)表中找到特定的推薦電感尺寸或尺寸范圍。對于其LTC3632同步降壓轉(zhuǎn)換器，凌力爾特公司建議根據(jù)下面的公式1設(shè)置電感值，受公式2的約束。

可用的降壓轉(zhuǎn)換器，如Maxim Integrated MAX638，Linear Technology LTC3632，Linear Technology LTC3388和Texas Instruments TPS62120，提供了一種簡單的解決方案，可將輸入電壓降至典型工作電壓水平（圖3）。

圖3：可用的降壓轉(zhuǎn)換器需要很少的外部元件。除了電感器和電容器對之外，凌力爾特公司LTC3632等設(shè)備還使用一對電阻作為其反饋控制環(huán)路的一部分。 （由Linear Technology提供。）

除了典型的電容器和電感器外，這類降壓轉(zhuǎn)換器通常使用一對電阻器來降低輸出電流，以便與片上電壓基準(zhǔn)進(jìn)行比較 - 800 mV就LTC3632而言。對于LTC3632，如果VFB的電壓大于參考電壓，比較器將激活休眠模式，其中電源開關(guān)和電流比較器被禁用，從而將VIN電源電流降至僅12μA。

德州儀器（TI）TPS62120是一款用于能量采集應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器，支持2至15 V的輸入電壓范圍，同時提供高達(dá)75 mA的輸出電流。與Linear LTC3632類似，TI TPS62120使用片上800 mV基準(zhǔn)電壓源切換到低功耗睡眠模式。為了在輕負(fù)載條件下保持高效率，TI轉(zhuǎn)換器采用遲滯PFM/PWM控制器方案，器件在高負(fù)載時工作在PWM模式，并在輕負(fù)載時自動切換到PFM模式，其中VIN僅消耗10μA靜態(tài)電流。除了保持不同負(fù)載的效率之外，使用這種PFM/PWM方案還允許使用陶瓷電容器，這種電容器具有低串聯(lián)電阻并導(dǎo)致低輸出電壓紋波。

凌力爾特公司LTC3588-1專門設(shè)計用作壓電能量采集電源，擴(kuò)展了Linear LTC3388降壓穩(wěn)壓器，具有專門的片上功能。 LTC3588-1集成了低損耗全波橋式整流器和降壓轉(zhuǎn)換器，可提供完整的壓電能源，僅具有降壓轉(zhuǎn)換器所需的常用外部元件（圖4）。

圖4：線性LTC3588-1將全波橋式整流器與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合，提供完整的壓電能量采集電源，只需少量外部電源組件。 （由Linear Technology提供。）

LTC3588-1能夠在多個可選輸出電壓下提供高達(dá)100 mA的連續(xù)輸出功率，具有靜態(tài)電流欠壓鎖定（UVLO）模式和寬滯后窗口。在UVLO模式下，LTC3588-1僅消耗450 nA電流，允許電荷累積在輸入電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將一部分存儲電荷轉(zhuǎn)移到輸出。在調(diào)節(jié)方面，LTC3588-1進(jìn)入950 nA低功耗狀態(tài)，根據(jù)需要接通和關(guān)斷降壓轉(zhuǎn)換器以維持穩(wěn)壓。

結(jié)論

降壓轉(zhuǎn)換器為具有高輸入電壓電平的專業(yè)能量收集應(yīng)用提供了簡單的解決方案。可用的降壓轉(zhuǎn)換器通常僅需要一對電容器和電感器來實現(xiàn)有效的DC/DC轉(zhuǎn)換器。可用降壓轉(zhuǎn)換器的專用版本提供高度集成的解決方案，用于構(gòu)建由壓電設(shè)備供電的高效能量收集電路。