能量收集源中的電源管理解決方案

為從環(huán)境中收集能量的源設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。這些來源，從太陽能電池到振動(dòng)能，甚至來自熱差的功率，都是不可預(yù)測變化的少量功率。這給必須高效運(yùn)行并提供穩(wěn)定輸出的電源管理系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。被供電的節(jié)點(diǎn)中的傳感器和處理器的電壓和功率要求已經(jīng)下降，因此使用能量收集源變得更加實(shí)用;但是仍有不同的方法來管理這些電力子系統(tǒng)。

顯然有必要優(yōu)化系統(tǒng)中低平均功率的設(shè)計(jì)，但也有必要了解下限和上限。能量收集源。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將具有下限，低于該下限功率級(jí)可以關(guān)閉或不啟動(dòng)，從而中斷系統(tǒng)的操作。這也意味著上電排序必須了解何時(shí)為每個(gè)器件和其他器件供電的影響，以便功率消耗不會(huì)將功率轉(zhuǎn)換階段推到該下限以下。

但是，還必須注意潛在的峰值功率，以避免壓倒額外的儲(chǔ)能元件，如電容器或電池。

使用硬件定時(shí)器和中斷而不是軟件可以降低總體電源要求，并且在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示和警報(bào)是必不可少的，以便可以使用正確的信息進(jìn)行電源管理選擇。

隔離系統(tǒng)中的所有負(fù)載并使其可切換，為電源管理器提供了更多機(jī)會(huì)來避免問題并優(yōu)化性能。這也有助于隔離任何消耗過多功率的設(shè)備。

降壓/升壓轉(zhuǎn)換器是一種適合通過壓電傳感器從運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)中獲取能量的架構(gòu)。輸入端的保護(hù)分流器允許電源管理器容納各種不同的壓電元件，這些元件的短路電流約為10μA。

壓電源的典型電源管理器的一個(gè)例子是凌力爾特公司的LTC3588。它設(shè)計(jì)用于直接連接壓電或替代電源，整流電壓波形并將收集的能量存儲(chǔ)在外部電容上，并通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器排出任何多余的電能。

集成了低損耗全波橋式整流器和高效率降壓轉(zhuǎn)換器，針對(duì)高輸出阻抗壓電源進(jìn)行了優(yōu)化，并通過高效同步降壓穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。

超低靜態(tài)具有寬滯后窗口的電流欠壓鎖定（UVLO）模式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(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到輸出，并且降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要打開和關(guān)閉以維持調(diào)節(jié)。

知道下限的重要性的一個(gè)例子是降壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸入電壓超過UVLO上升閾值以轉(zhuǎn)移充電時(shí)啟動(dòng)e從輸入電容到輸出電容。 1 V UVLO遲滯窗口的閾值低于所選穩(wěn)壓輸出電壓約300 mV，這可防止降壓上電期間的短暫循環(huán)。

當(dāng)輸入電容電壓耗盡低于UVLO下降閾值時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器被禁用，450 nA的極低靜態(tài)電流允許能量從壓電源積聚在輸入電容上。遲滯由算法確定，該算法通過來自電壓感測引腳的內(nèi)部反饋來控制輸出。

圖1：靜態(tài)電流欠壓鎖定（UVLO）使用滯后算法來保護(hù)壓電能量收集系統(tǒng)中的功率輸出。

LTC3588的四個(gè)輸出電壓顯示了能量采集源預(yù)期供電的較低電壓，從1.8 V，2.5 V和3.3 V到3.6 V，這些引腳可通過高達(dá)100 mA的連續(xù)輸出進(jìn)行選擇當(dāng)前。設(shè)置為20 V的輸入保護(hù)分流器可在給定量的輸入電容下實(shí)現(xiàn)更大的能量存儲(chǔ)。

低損耗橋式整流器的總壓降約為400 mV，典型的壓電發(fā)電電流約為10μA，電橋能夠承載高達(dá)50 mA的電流。所有這些都允許電容器中的電荷消除電源的間歇性質(zhì)，并為傳感器或控制器提供所需的電壓。

電池通常用于從能源中收集電荷，但這些也需要保護(hù)免受過度充電或充電不足。 Maxim Integrated的MAX17710可以管理調(diào)節(jié)不良的能量收集源，輸出電平范圍為1μW至100 mW。對(duì)于0.8 V收獲源和4.1 V電池，只要收獲源可以支持，該設(shè)備可以提供超過20 mA（80 mW）的電壓。

為此，該設(shè)備包括一個(gè)增壓器用于從低至0.75 V的電源為鋰電池充電的穩(wěn)壓器電路，同時(shí)用于保護(hù)電池免于過充電和內(nèi)部電壓保護(hù)的內(nèi)部穩(wěn)壓器可防止電池過度放電。使用低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)1.8 V至2.3 V至3.3 V的可選輸出電壓。

圖2： MAX17710集成了一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器，可以保護(hù)電容器或鋰電池免受充電不足。

太陽能

越來越受歡迎的能量收集來源是太陽能電池，有幾種管理來自這些細(xì)胞的力量的不同方法。這些不同的方法可通過數(shù)字圖書館免費(fèi)獲得，并可在一系列評(píng)估板上進(jìn)行測試。

太陽能電池的數(shù)字電源軟件庫提供代碼優(yōu)化的構(gòu)建模塊，可實(shí)現(xiàn)各種電源拓?fù)浜退惴?，如最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和軟件鎖相環(huán)（PLL），以幫助設(shè)計(jì)優(yōu)化太陽能逆變器到動(dòng)力設(shè)備。

有三種基本的MPPT算法可以在微控制器中輕松測試。最流行的是擾動(dòng)和觀察（P＆amp; O）算法，也稱為“爬山法”，其中控制器移動(dòng)或擾亂來自陣列的電壓少量并測量功率。如果功率增加，則電壓在相同方向上稍微改變，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)。然而，這可能導(dǎo)致一點(diǎn)周圍的功率輸出振蕩。

圖3a：基本的P＆amp; O算法（來源：MATHWORKS）

第二個(gè)選項(xiàng)，增量電導(dǎo)，比較對(duì)瞬時(shí)電導(dǎo)的增量電導(dǎo)。根據(jù)結(jié)果，它會(huì)增加或減少電壓，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)（MPP）。與P＆amp; O算法不同，一旦達(dá)到MPP，電壓保持不變。

圖3b：增量電導(dǎo)算法。 （來源：MATHWORKS）

第三種MPPT方法是分?jǐn)?shù)開路電壓：該算法基于最大功率點(diǎn)電壓始終是開路電壓的恒定分?jǐn)?shù)的原理。測量太陽能電池中電池的開路電壓，并將其用作控制器的輸入。

圖4：太陽能微型逆變器的開發(fā)德州儀器（TI）的套件允許評(píng)估MPPT算法的數(shù)字庫。

這些電源管理算法可以在德州儀器的Solar Micro Inverter開發(fā)套件上進(jìn)行測試，該開發(fā)套件基于Piccolo TMS320F28035微控制器，可用作完整的并網(wǎng)太陽能微逆變器。微逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括帶有次級(jí)倍壓器的有源鉗位反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和并網(wǎng)DC/AC逆變器。單個(gè)Piccolo控制器處理功率級(jí)和MPPT算法的執(zhí)行。

其他評(píng)估板，如MAX17710，允許測試不同的拓?fù)浜退惴?，改變?chǔ)能元件和控制算法。

圖5：MAX17710評(píng)估板允許開發(fā)人員使用太陽能電池等能源為受保護(hù)的鋰電池充電。

結(jié)論

在能量收集源的超低功率水平下運(yùn)行給電力系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了許多挑戰(zhàn)。密切關(guān)注能源的下限和上限，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加容易。開發(fā)人員還可以評(píng)估不同的控制算法并進(jìn)行調(diào)整，以便為所選能源提供最有效的功率轉(zhuǎn)換，無論是太陽能電池陣列，壓電振動(dòng)傳感器還是熱能源。通過選擇評(píng)估板，可以輕松測試這些產(chǎn)品，以及正確選擇電池或電容器。