如何實(shí)現(xiàn)高效的高壓能量采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

能量收集通常涉及從非常低能量的環(huán)境源中清除能量涓流。對于這些應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員專注于能夠?qū)⒆钚】捎秒妷弘娖睫D(zhuǎn)換為有用功率的電路。相比之下，高能源需要一類能夠有效處理由諸如太陽能電池板，熱電發(fā)電機(jī)和壓電裝置等能量轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高電壓電平的電路。設(shè)計(jì)人員可以使用包括凌力爾特，NJR，安森美半導(dǎo)體，ROHM半導(dǎo)體，意法半導(dǎo)體和德州儀器等制造商在內(nèi)的可用設(shè)備實(shí)施高效的高壓能量采集系統(tǒng)。

對于低能耗應(yīng)用，高效能源 - 收集IC和模塊，如Advanced Linear Devices EH4205，Linear Technology LTC3108和Texas Instruments BQ25570，旨在清除傳感器的功率，從而產(chǎn)生低至20 mV的有限電壓，最高可達(dá)6 V左右。在這些系統(tǒng)的核心，升壓轉(zhuǎn)換器可為電路供電和為超級電容器和電池充電提供低電壓。

高能源及其各自的傳感器可產(chǎn)生的輸出電壓水平容易超過這些電壓的最大輸入范圍。低壓設(shè)備。例如，Phoenix Contact 2885456模塊等太陽能電池板可產(chǎn)生近18 V的輸出電壓。在工業(yè)應(yīng)用和其他高能環(huán)境中受到高振幅振動的驅(qū)動，壓電器件可以達(dá)到幾十伏的輸出電平。類似地，當(dāng)TEG的兩側(cè)之間存在足夠大的溫差時，熱電發(fā)電機(jī)可以產(chǎn)生類似的電壓輸出水平，盡管實(shí)現(xiàn)該溫差可能是最困難的任務(wù)。

Wide-VIN轉(zhuǎn)換器

能量收集設(shè)計(jì)存儲超出負(fù)載直接使用的超額收集功率。對于高能源，設(shè)計(jì)人員將使用降壓轉(zhuǎn)換器將傳感器輸出電壓降低到適合為電路供電和為電池或其他能量存儲設(shè)備充電的水平。

對于這些應(yīng)用，能量收集中固有的波動決定DC具有寬VIN范圍的/DC轉(zhuǎn)換器。例如，ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供12 V至76 V的VIN范圍，而Texas Instruments LM5017具有更寬的VIN范圍，范圍從7.5 V至100 V.

對于需要支持較低VIN限制的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，如NJR NJM2360或安森美半導(dǎo)體NCP3163，兩者都支持VIN范圍低至2.5 V但擴(kuò)展至40 V.這些器件需要最少的外部元件，可集成多個片內(nèi)功能，通常提供電流限制以及過壓和欠壓保護(hù)（圖1）。

圖1：寬VIN轉(zhuǎn)換器，如ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供額外的電源管理功能，如過壓，欠壓和限流保護(hù)。 （由ROHM半導(dǎo)體公司提供）

太陽能采集尤其通常需要動態(tài)MPPT方法（最大功率點(diǎn)跟蹤）;能量傳感器在它們的功率曲線上保持在MPP時產(chǎn)生最大能量。在這些情況下，設(shè)計(jì)人員可以找到Linear Technology LT8490和STMicroelectronics SPV1020等設(shè)備，其中包括專用的片上MPPT模塊，可提供用于查找MPP的復(fù)雜動態(tài)跟蹤方法（圖2）。凌力爾特LT8490的內(nèi)部MPPT算法具有6 V至80 V的VIN范圍，可掃描低至6 V的全面板電壓，以找到最大功率點(diǎn)。

STMicroelectronics SPV1020支持6.5 V至V V的VIN 40 V，提供片上“Perturb＆amp; amp;觀察“MPPT算法，該算法定期修改太陽能電池的工作電壓，并在器件觀察到電池輸出相關(guān)增加時校正工作點(diǎn)。如果太陽能電池輸出降低，則設(shè)備會在相反方向擾動工作電壓 - 繼續(xù)擾動工作電壓并觀察功率變化，直到找到新的MPP。

圖2：STMicroelectronics SPV1020等專用能量收集設(shè)備包括內(nèi)置的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法，旨在優(yōu)化太陽能等環(huán)境光源的發(fā)電。 （由STMicroelectronics提供）

壓電電源

其他高能電源可能需要額外的電路元件才能實(shí)現(xiàn)最大功率發(fā)電。壓電裝置可以產(chǎn)生由懸臂式壓電裝置的前后彎曲產(chǎn)生的正弦輸出。在寬范圍的運(yùn)動中，這些器件可以產(chǎn)生相當(dāng)大的輸出電壓電平。例如，Measurement Specialties LDT0-028K的10 mm偏轉(zhuǎn)可產(chǎn)生超過24 V的電壓輸出，最大偏轉(zhuǎn)可產(chǎn)生超過70 V的電壓。

盡管二極管可用于簡單地夾住壓電的交流電壓輸出設(shè)備，專用控制器提供更有效的方法。例如，凌力爾特公司的LTC3588-2集成了低損耗全波橋式整流器，高效率降壓轉(zhuǎn)換器，帶隙基準(zhǔn)和其他功能，可提供完整的能量收集解決方案，并且外部元件極少（圖3） 。 LTC3588-2采用18 V VIN設(shè)計(jì)，包括使用20 V輸入保護(hù)分流器組件的過壓保護(hù)。在運(yùn)行期間，收集的能量可以存儲在輸入電容器或輸出電容器上。雖然負(fù)載電流名義上僅限于降壓轉(zhuǎn)換器可以提供的電流，但工程師可以根據(jù)需要調(diào)整輸出電容的大小，以支持更大的負(fù)載電流要求。

圖3：設(shè)計(jì)用于從壓電電路中提取能量凌力爾特公司的LTC3588-2器件和其他交流電壓源集成了全波橋式整流器和實(shí)現(xiàn)完整能量收集解決方案所需的其他功能元件，并且外部元件極少。 （由Linear Technology提供）

此類設(shè)備的其他變體為轉(zhuǎn)換器輸出上的能量存儲提供了更廣泛的支持。例如，Linear LTC3330降壓 - 升壓型DC/DC支持3.0 V至19 V的VIN，與LTC3588-2一樣，集成了全波橋式整流器，降壓轉(zhuǎn)換器以及支持完整能量所需的其他功能 - 此外，LTC3330還包括一個獨(dú)立的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)用于由外部電池驅(qū)動。能量收集降壓轉(zhuǎn)換器或電池降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器可以為器件的輸出引腳提供能量。如果環(huán)境能量源失效，則降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器從電池獲取電力;當(dāng)足夠的收集能量變得可用時，降壓轉(zhuǎn)換器工作，將電池上的電流消耗基本上減少到零。通過這種方法，設(shè)計(jì)人員可以利用高壓太陽能收集，但即使太陽能源衰退，也能確保負(fù)載持續(xù)接收功率。

結(jié)論

與低能量環(huán)境源發(fā)電相比，從高能源獲取能量可能帶來額外的挑戰(zhàn)，并對設(shè)計(jì)功能和性能提出額外要求。對于這些應(yīng)用，具有寬VIN范圍的專用器件，嵌入式MPPT算法或全波整流器可以幫助簡化設(shè)計(jì)，同時最大化能量轉(zhuǎn)換。使用可用的專用IC，工程師可以實(shí)現(xiàn)能夠有效轉(zhuǎn)換高能量源的高壓傳感器輸出的能量收集設(shè)計(jì)。