如何實現高電壓變送器輸出高能源采集

專用設備處理高電壓能量收集

能量收集往往涉及權力清除細流從極低能量的環(huán)境來源。對于這些應用，設計人員集中于電路能夠連轉換最小可用電壓電平到有用功率。與此相反，高能量源要求的一類電路能夠有效地處理通過能量換能器產生的諸如太陽能電池板，熱電發(fā)電機和壓電器件的高電壓電平。設計人員可以利用現有的設備從廠家包括凌特，NJR，安森美半導體，ROHM半導體，意法半導體和德州儀器，以及其他實施有效的高壓能量收集系統(tǒng)。對于低能源的應用，高效的能源采集IC和模塊，如高級線性器件EH4205，凌特LTC3108和德州儀器BQ25570旨在從生產有限的電壓電平轉換器低至20 mV的最多清除功率將6伏特左右。在這些系統(tǒng)的心臟，升壓轉換器把低電壓高達有用的水平供電電路和超級電容器充電和電池。高能量的來源和它們各自的換能器產生的輸出電壓電平容易超過這些低壓器件的最大輸入范圍。例如，太陽能電池板等菲尼克斯電氣2885456模塊生產近18 V輸出。驅動下在工業(yè)應用和其它高能量環(huán)境中的高振幅振動，壓電裝置可以實現輸出電平在幾十伏。同樣地，熱電發(fā)生器可以產生類似的電壓輸出電平，當一個TEG的兩側之間存在足夠大的溫度差，雖然達到該溫度差充其量是一個困難的任務。寬VIN轉換器通常情況下，能量收集設計儲存多余的電力收獲超出了直接由負載使用。對于高能量源，設計者將使用降壓轉換器，以換能器的輸出電壓降壓為適于供電電路和充電電池或其它能量儲存裝置的水平。對于這些應用，固有能量采集的波動決定的DC / DC轉換器的寬VIN范圍。例如，ROHM半導體BD9G341EFJ提供12 V的VIN范圍為76 V和德州儀器LM5017提供從7.5 V至100 V延長對于要求較低的VIN范圍應用的支持更廣泛VIN范圍，設計師可以轉向降壓/升壓轉換器，如NJR NJM2360或安森美半導體NCP3163，兩者支持的VIN范圍低至2.5 V，但延伸到40 V.專為需要最少的外部元件，這些器件集成了多個芯片的功能，通常目前提供與過壓和欠壓保護（圖1）限制。

羅姆半導體BD9G341EFJ圖1：寬VIN轉換器，如制造商ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供額外的電源管理功能，如過壓，欠壓和電流限制保護。

（ROHM半導體提供）太陽能能量采集，尤其是通常需要動態(tài)的方法MPPT（最大功率點跟蹤）;能量轉換器產生的最大能量時，他們都保持在他們的功率曲線的MPP。在這種情況下，設計人員可以找到諸如凌力爾特LT8490和意法半導體SPV1020，其中包括專用芯片MPPT塊提供先進的動態(tài)跟蹤的方法找到MPP（圖2）設備。配備的6 V至80伏的VIN范圍，在Linear的LT8490內部MPPT算法席卷全板電壓低至6 V，找到最大功率點。意法半導體SPV1020，它支持的VIN范圍從6.5 V至40伏，提供了定期修改太陽能電池的工作電壓和校正的操作點在芯片上“擾動＆觀察”MPPT算法如果設備觀察在相關聯的增加從細胞輸出。如果太陽能電池的輸出降低時，該裝置擾亂了工作電壓在相反方向繼續(xù)擾亂工作電壓和觀察功率的改變，直到找到新的MPP。

圖意法半導體SPV1020圖2：閃電能量采集設備，諸如意法半導體SPV1020包括內置旨在優(yōu)化發(fā)電從環(huán)境來源，例如太陽能最大功率點跟蹤（MPPT）算法。 （意法半導體提供）壓電發(fā)電其他高能量的來源可能需要額外的電路元件，以達到最大的發(fā)電。壓電裝置可以產生正弦輸出從一個懸臂壓電裝置的背面的往復撓曲產生。在運動的很寬的范圍，這些設備可以生成大量的輸出電壓電平。例如，精量LDT0-028K 10mm的偏轉可產生超過24伏和最大偏轉可產生電壓超過70V。雖然二極管可以用來簡單地夾的壓電器件的AC電壓輸出，專門電壓輸出控制器提供了一種更有效的方法。例如，凌力爾特LTC3588-2集成了一個低損耗全波橋式整流器，一個高效率降壓轉換器，帶隙基準源的，需提供最少的外部組件的完整能量收集解決方案等功能（圖3） 。

用18 V VIN設計，LTC3588-2包括使用輸入保護分流設定為20V。在操作過程中的過電壓保護，所采集的能量可以存儲在輸入電容器或輸出電容器。盡管負載電流從名義上講僅限于降壓轉換器可提供什么，工程師可以大小輸出電容為需要支持更大的負載電流要求。

示意圖凌力爾特LTC3588-2圖3：設計能夠從壓電設備等的交流電壓源的能量，凌力爾特LTC3588-2集成了實現一個完整的能量采集解決方案所需的全波橋式整流器和其它功能元件最少的外部元件。 （凌力爾特公司提供）這種類型的設備的其它變體提供對轉換器的輸出能量存儲更廣泛的支持。例如，線性LTC3330降壓 - 升壓型DC / DC支持從3.0V，VIN至19 V和作為與LTC3588-2，集成了一個全波橋式整流器，降壓轉換器，并支持一個完整能量所需的其他功能收獲的解決方案。此外，LTC3330包括一個單獨的降壓 - 升壓轉換器設計為通過外部電池驅動。無論是能量收集降壓變換器或電池降壓 - 升壓轉換器可以提供能量到設備的輸出引腳。如果能源的環(huán)境源發(fā)生故障，降壓 - 升壓轉換器吸引了來自電池的電力;當有足夠的能量收集可用的降壓轉換器工作，減少電流消耗的電池基本上是零。通過這種方法，設計人員可以利用高壓太陽能能量采集，但保證了負載繼續(xù)即使接收功率，當太陽源變淡。結論相反，產生的功率在低能量的環(huán)境資源，由高能源能量收集可以帶來更多的挑戰(zhàn)和更多的規(guī)定要求進行設計的功能和性能。對于這些應用，具有廣泛的VIN范圍，嵌入式MPPT算法或全波整流器專門的設備可以幫助簡化設計，同時最大限度地提高能量轉換。利用現有的專門芯片，工程師可以實現能夠有效地將高電壓變送器輸出高能源能源采集設計。