基于LTC3388設計的低功率醫(yī)療電源電路

　　在全球，我們的周圍存在大量的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法已在太陽能板和風力發(fā)電機上使用。但是，仍有新型收集工具可從大量環(huán)境來源生成電能。不僅如此，這其中的重點并不在于電路的能量轉換效率，而是更多地在于可為電路供電的“平均收集到的”能量總量。例如：熱電發(fā)生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動能、光伏元件用于轉換太陽光能（或任何光子源）、而流電元件則可從濕氣轉換出能量。這就有可能給遠程傳感器供電，或者對電能存儲器件（例如：電容器或薄膜電池）進行充電，這樣微處理器或發(fā)射器無需本地電源即可從遠處獲得電能。

　　不過，由于這些能量處在功率譜的“低”端，因此無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）和傳感器中的毫微功率轉換變得越來越普遍，需要功率轉換IC能夠工作非常低的功率和電流水平下。通常分別是幾十微瓦（μW）功率和幾十納安（nA）電流。但是，工作電流低于1μA的電源轉換產(chǎn)品（包括電池充電器）的供應卻是極其有限。

　　一般地說，要想被上述這些應用所接納和采用，電源轉換IC必需具備的性能特征包括：

　　低待機靜態(tài)電流–通常小于6μA，并可低至450nA

　　低啟動電壓–可低至20mV

　　高輸入電壓能力–高達34V（連續(xù)）和40V（瞬態(tài)）

　　能夠處理AC輸入

　　多路輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

　　針對太陽能輸入的最大功率點控制最大功率（MPPC）功能

　　解決方案小巧緊湊、外部組件極少

　　WSN基本上屬于自足式系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的傳感器會將環(huán)境能量源轉換成電信號，隨后通常由DC/DC轉換器和管理器向下行電子元件供給合適的電壓和電流。下行電子元件包括一個微控制器、一個傳感器和一個收發(fā)器。

　　嘗試實現(xiàn)WSN時，要考慮的重要問題是：運作它需要多少功率？從概念上講，此問題的答案貌似直觀明了；但實際上，由于存在多種因素，回答此問題頗有幾分難度。例如，需要多久獲取一次讀數(shù)？或者，再考慮兩個更重要的問題：數(shù)據(jù)包會有多大？傳送數(shù)據(jù)包需要多少功率？這是由于在系統(tǒng)用于單次傳感器讀數(shù)和數(shù)據(jù)包傳送上所耗的能量中，收發(fā)器的能耗約占50%。有若干因素會影響能量收集系統(tǒng)或WSN的功耗特性，這些都需要考慮進來。

　　當然，由環(huán)境收集源所提供的收集能量取決于電源工作多久。因此，比較能量回收源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低、隨時變化且不可預測，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。由于能量供應無限但功率不足，因此收集器便成了系統(tǒng)的能量源。輔助電能儲存器（電池或電容器）可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期接收來自收集器的電荷。所以，在沒有可供收集電力的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器給WSN供電。當然，從系統(tǒng)設計人員的角度來看，這進一步增加了復雜性，因為他們現(xiàn)在不得不考慮：必須在輔助電能儲存器中儲存多少能量，才能補償環(huán)境能量源的不足。

　　可以明確的是，WSN可用時，必須使用極低的能量。反過來，這也意味著系統(tǒng)中所用的元器件必須要能夠處理這些低級別的功率。雖然一直以來，使用收發(fā)器和微控制器已能夠達到此要求，但在等式的功率轉換和電池充電一側卻仍然為空。不過，LinearTechnology專門開發(fā)的LTC3388-1/-3和LTC4071填補了這些空白。

　　LTC3388-1/-3是一款能接受20V輸入的同步降壓轉換器，可提供高達50mA的連續(xù)輸出電流，采用3mmx3mm（或MSOP10-E）封裝–見圖1。該器件在2.7V至20V的輸入電壓范圍內(nèi)工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電型應用，包括“持續(xù)運作”電路、傳感器和工業(yè)控制電源。

　　LTC3388-1/-3運用遲滯同步整流方法優(yōu)化了寬負載電流范圍的效率。它在15μA至50mA負載范圍內(nèi)可提供超過90%的效率，且僅需400nA的靜態(tài)電流，從而使其能夠在采用電池作為輔助電源的場合延長電池壽命。

　　LTC3388-1/-3具有準確的欠壓閉鎖（UVLO）保護功能，可在輸入電壓降至低于2.3V時停用轉換器，從而將靜態(tài)電流減小至僅為400nA。一旦處于穩(wěn)壓狀態(tài)（無負載時），LTC3388-1/-3將進入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流至僅為720nA。然后，該降壓轉換器按需接通和斷開，以保持輸出調節(jié)狀態(tài)。當輸出處于針對短期負載（如要求低紋波的無線調制解調器負載）的調節(jié)狀態(tài)時，還提供附加待機模式來禁止切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設計非常適合能量收集應用。此類應用需要長充電周期，同時以短猝發(fā)負載為傳感器和無線調制解調器供電。

　　電池常常用作WSN中的輔助備用電源；然而，所面臨的設計難題在于怎樣利用低功耗電源對其進行充電，這并不是個簡單的問題。Linear的LTC4071是一款并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，具有集成型電池組保護和低電池電量斷開功能，可保護低容量電池不會因自放電而受損。它是一款即簡單又復雜的的充電器和保護器，適用于鋰離子/鋰聚合物電池。其超低的550nA工作電流使之能夠采用以前不能用的極低電流、間歇或連續(xù)充電來源（如能量收集應用提供的來源）來充電。電池內(nèi)熱調節(jié)器可降低浮充電壓，以在電池溫度升高時保護鋰離子/鋰聚合物電池、鈕扣電池或薄膜電池。LTC4071采用扁平8引腳2mmx3mmDFN封裝，提供的是一款完整和超緊湊的充電器解決方案，只需單個外部電阻器與輸入電壓串聯(lián)。

　　盡管便攜式應用和能量收集系統(tǒng)正常工作時功率級別差異很大（從數(shù)微瓦至1W以上），但仍有很多功率轉換IC可供系統(tǒng)設計師選擇。不過，處于功率范圍的較低端，功率低至毫微功耗級別時，選擇就變得有限了。

　　幸運的是，目前已經(jīng)有了可供設計師選擇的功率轉換和電池充電解決方案，其低于1μA的靜態(tài)電流可延長低功率傳感器以及新一代WSN中持續(xù)運作電路的電池壽命。