助推能量采集

助推能量采集

眾多低功率工業(yè)傳感器和控制器正在尋求以非傳統(tǒng)能源作為主要或補充性供電源。利用現(xiàn)成的物理電源(例如，熱電發(fā)生器或熱電堆、壓電或機電裝置和光伏器件)來產(chǎn)生電力的換能器正在成為許多應(yīng)用的適配電源。通過僅使用收集到的能量，眾多無線傳感器、遠(yuǎn)程監(jiān)視器和其他低功率應(yīng)用正在穩(wěn)步成為接近“零”功率的設(shè)備(常被有些人稱為“微功率”)。

盡管自2000年初，能量采集就出現(xiàn)了，但是最近的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)推動其達到了可商業(yè)應(yīng)用的程度。簡言之，2010年，我們?yōu)槟芰坎杉摹霸鲩L”階段做好了準(zhǔn)備。利用能量采集技術(shù)開發(fā)的自動化傳感器應(yīng)用已在歐洲出現(xiàn)，這表明增長階段也許已經(jīng)開始。

得到商業(yè)上的接受
盡管能量采集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年，但是在真實環(huán)境中的系統(tǒng)部署一直很緩慢，原因是復(fù)雜度高和成本昂貴。盡管如此，仍然有一些市場采用了能量采集系統(tǒng)，包括了交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測以及樓宇自動化。就樓宇自動化而言，有了人體感應(yīng)傳感器、恒溫器和光開關(guān)等，系統(tǒng)就用不著通常需要的電源或控制線路，而是使用能量采集系統(tǒng)了。

類似地，采用能量采集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)可以在樓宇中將任意數(shù)量的傳感器連接到一起。當(dāng)樓宇中沒有人時，通過關(guān)閉非必要區(qū)域的電源，可降低供熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)以及照明的費用。此外，能量采集電子線路的費用常常低于使用檢測線路的費用，因此采用能量采集技術(shù)顯然會有經(jīng)濟收益。

一個典型的能量采集配置或系統(tǒng)(如圖1所示)通常由連接到發(fā)熱源(如HVAC管道)的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆等免費能量源組成。這些小型熱電設(shè)備可以將微小的溫差轉(zhuǎn)換成電能，然后利用能量采集電路，將這種電能轉(zhuǎn)換并調(diào)整為下游電路可用的電源形式。這些下游的電子線路通常會由某些種類的傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和超低功率微控制器組成。現(xiàn)在，這些元件能以電流形式接受收集到的能量，并喚醒一個傳感器，以獲得讀數(shù)或測量結(jié)果，然后再通過一個超低功率無線收發(fā)器進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 典型能量采集系統(tǒng)的4個主要方框

在這電路中，除了能量源本身，每個電路系統(tǒng)模塊都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應(yīng)用。低成本、低功率的傳感器和微控制器已經(jīng)上市相當(dāng)一段時間了，不過只是在最近兩三年，超低功率收發(fā)器才商用化。盡管如此，在這電路中，落后的一直是能量采集器和電源管理器。

電源管理器的現(xiàn)有實施方案是一種低性能分立配置，通常由35個或更多元件組成。這類設(shè)計具有低的轉(zhuǎn)換效率和大的靜態(tài)電流。這兩個缺點導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受到損害。低轉(zhuǎn)換效率將延長給系統(tǒng)加電所需時間，反過來又延長了獲得傳感器讀數(shù)和發(fā)送該數(shù)據(jù)之間的時間間隔。

新的升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器
迄今為止，高集成度DC/DC升壓型轉(zhuǎn)換器一直比較缺少，這類轉(zhuǎn)換器可以收集和管理由極低的輸入電壓源提供的多余能量。不過，LTC3108極大地簡化了收集和管理由極低輸入電壓源提供的多余能量的任務(wù)。其升壓型拓?fù)湓谳斎腚妷旱椭?0mV時仍能正常運行。這具有重大意義，因為它允許LTC3108從低至1℃的溫度變化中收集TEG提供的能量。

圖2所示電路運用一個小型升壓型變壓器來提高LTC3108輸入電壓源輸入的電壓，而LTC3108為無線檢測和數(shù)據(jù)采集提供一個完整的電源管理解決方案。

圖2 在無線遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用中使用的LTC3108

LTC3108使用了一個耗盡型N溝道MOSFET開關(guān)，以一個外部升壓型變壓器和一個小的耦合電容器構(gòu)成一個諧振升壓型振蕩器。這使它能夠?qū)⒁粋€低至20mV的輸入電壓升至足夠高的電平，以提供多個用于給其他電路供電的已調(diào)輸出電壓。振蕩頻率由變壓器副端繞組的電感決定，典型值在20～200kHz之內(nèi)。

就低至20mV的輸入電壓而言，建議使用約1:100的主副端匝數(shù)比。對于更高的輸入電壓來說，可以使用較低的匝數(shù)比。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)成有售的元件，可以輕而易舉地從磁性元件供應(yīng)商那里得到。我們的復(fù)合耗盡型N溝道MOSFET就能實現(xiàn)20mV輸入電壓。

LTC3108采用一種“系統(tǒng)級”方法來解決復(fù)雜的問題。它可以轉(zhuǎn)換低壓電源，并管理多個輸出之間的電能。用一個外部充電泵電容器和LTC3108內(nèi)部的整流器能實現(xiàn)對變壓器副端繞組上產(chǎn)生的AC電壓的升壓和整流。這個整流器電路將電流饋送至VAUX引腳，從而向外部VAUX電容器，然后是其他輸出提供電荷。

內(nèi)部2.2V的LDO可以支持一個低功率處理器或其他低功率IC。該LDO由VAUX或VOUT中較高的一個供電。這使它在VOUT存儲電容器仍然在充電時，當(dāng)VAUX一充電到2.3V時就開始工作。倘若LDO輸出上出現(xiàn)階躍負(fù)載，如果VAUX降至低于VOUT，電流就可能來自主VOUT電容器。該LDO輸出可以提供高達3mA的電流。

VOUT上的主輸出電壓是用VAUX電源充電的，用戶利用電壓選擇引腳VS1和VS2，可將其編程至4個穩(wěn)定電壓之一。4個固定的輸出電壓是：用于超級電容器的2.35V、用于標(biāo)準(zhǔn)電容器的3.3V、用于鋰離子電池終止的4.1V和用于更高能量存儲和主系統(tǒng)軌為無線發(fā)送器或傳感器供電的5V，因此無須幾mΩ的外部電阻器。結(jié)果，LTC3108不需要像分立式設(shè)計那樣要用特殊的電路板涂層來最大限度地降低泄漏(例如，分立式設(shè)計需要電阻值很大的電阻器)。

第二個輸出VOUT2可以由主微處理器利用VOUT2_EN引腳來接通和斷開。啟動后，VOUT2通過一個P溝道MOSFET開關(guān)連接到VOUT。這個輸出可以用來給外部電路（沒有低功率休眠或停機功能的傳感器或放大器等）供電。

VSTORE電容器可以具有非常大的電容值(幾千μF甚至幾F)，以在有可能失去輸入電源的時候提供保持作用。一旦上電操作完成，則主輸出、備用輸出和開關(guān)輸出均可使用。如果輸入電源發(fā)生故障，則操作仍然能夠借助VSTORE電容器的供電而得以持續(xù)。VSTORE輸出可用于在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對一個大存儲電容器或可再充電電池進行充電。在VOUT達到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，將允許VSTORE輸出充電至高達VAUX電壓(該電壓被鉗位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲元件不僅能夠在失去輸入電源的情況下用于給系統(tǒng)供電，而且還能夠在輸入電源所具備的能量不足時用于補充VOUT、VOUT2和LDO輸出所需要的電流。

結(jié)論
模擬開關(guān)模式電源設(shè)計人才在全世界都處于短缺狀態(tài)的局面，設(shè)計一個如圖1所示的有效能量采集系統(tǒng)一直很難。不過，隨著LTC3108熱能收集和DC/DC升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器的推出，這種情況將徹底改變。這個器件可以從太陽能電池、熱電發(fā)生器或其他類似熱源抽取能量。此外，該器件具有全面的功能并易于設(shè)計，極大地簡化了能量采集鏈條上難以進行的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計。