- 能量采集的意義和商業(yè)環(huán)境
- 升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器工作簡(jiǎn)介
- 利用能量采集電路，將能轉(zhuǎn)換并調(diào)整為下游電路可用的電源形式
- VOUT上的主輸出電壓是用VAUX電源充電
- LTC3108熱能收集和DC/DC升壓型轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)管理器
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(bǔ)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(jī)電裝置和光伏器件)來(lái)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(guò)僅使用收集到的能量，眾多無(wú)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(dòng)其達(dá)到了可商業(yè)應(yīng)用的程度。簡(jiǎn)言之，2010年，我們?yōu)槟芰坎杉?ldquo;增長(zhǎng)”階段做好了準(zhǔn)備。利用能量采集技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)化傳感器應(yīng)用已在歐洲出現(xiàn)，這表明增長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)采用了能量采集系統(tǒng)，包括了交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測(cè)以及樓宇自動(dòng)化。就樓宇自動(dòng)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(wú)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(shí)，通過(guò)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(fèi)用。此外，能量采集電子線路的費(fèi)用常常低于使用檢測(cè)線路的費(fèi)用，因此采用能量采集技術(shù)顯然會(huì)有經(jīng)濟(jì)收益。
一個(gè)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(fèi)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(huì)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?，F(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(gè)傳感器，以獲得讀數(shù)或測(cè)量結(jié)果，然后再通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線收發(fā)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
圖1典型能量采集系統(tǒng)的4個(gè)主要方框
在這電路中，除了能量源本身，每個(gè)電路系統(tǒng)模塊都受到一些特殊的限制，從而影響了它們?cè)谏虡I(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(shí)間了，不過(guò)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(shí)施方案是一種低性能分立配置，通常由35個(gè)或更多元件組成。這類設(shè)計(jì)具有低的轉(zhuǎn)換效率和大的靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺點(diǎn)導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受到損害。低轉(zhuǎn)換效率將延長(zhǎng)給系統(tǒng)加電所需時(shí)間，反過(guò)來(lái)又延長(zhǎng)了獲得傳感器讀數(shù)和發(fā)送該數(shù)據(jù)之間的時(shí)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(guò)，LTC3108極大地簡(jiǎn)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(shí)仍能正常運(yùn)行。這具有重大意義，因?yàn)樗试SLTC3108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(yùn)用一個(gè)小型升壓型變壓器來(lái)提高LTC3108輸入電壓源輸入的電壓，而LTC3108為無(wú)線檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集提供一個(gè)完整的電源管理解決方案。
圖2在無(wú)線遠(yuǎn)程傳感器應(yīng)用中使用的LTC3108
LTC3108使用了一個(gè)耗盡型N溝道MOSFET開關(guān)，以一個(gè)外部升壓型變壓器和一個(gè)小的耦合電容器構(gòu)成一個(gè)諧振升壓型振蕩器。這使它能夠?qū)⒁粋€(gè)低至20mV的輸入電壓升至足夠高的電平，以提供多個(gè)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(duì)于更高的輸入電壓來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)20mV輸入電壓。
LTC3108采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來(lái)解決復(fù)雜的問題。它可以轉(zhuǎn)換低壓電源，并管理多個(gè)輸出之間的電能。用一個(gè)外部充電泵電容器和LTC3108內(nèi)部的整流器能實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器副端繞組上產(chǎn)生的AC電壓的升壓和整流。這個(gè)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(gè)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(gè)供電。這使它在VOUT存儲(chǔ)電容器仍然在充電時(shí)，當(dāng)VAUX一充電到2.3V時(shí)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(lái)自主VOUT電容器。該LDO輸出可以提供高達(dá)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(gè)穩(wěn)定電壓之一。4個(gè)固定的輸出電壓是：用于超級(jí)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(chǔ)和主系統(tǒng)軌為無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電的5V，因此無(wú)須幾mΩ的外部電阻器。結(jié)果，LTC3108不需要像分立式設(shè)計(jì)那樣要用特殊的電路板涂層來(lái)最大限度地降低泄漏(例如，分立式設(shè)計(jì)需要電阻值很大的電阻器)。
第二個(gè)輸出VOUT2可以由主微處理器利用VOUT2_EN引腳來(lái)接通和斷開。啟動(dòng)后，VOUT2通過(guò)一個(gè)P溝道MOSFET開關(guān)連接到VOUT。這個(gè)輸出可以用來(lái)給外部電路（沒有低功率休眠或停機(jī)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(shí)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(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)之后對(duì)一個(gè)大存儲(chǔ)電容器或可再充電電池進(jìn)行充電。在VOUT達(dá)到穩(wěn)壓狀態(tài)以后，將允許VSTORE輸出充電至高達(dá)VAUX電壓(該電壓被鉗位于5.3V)。VSTORE上的電能存儲(chǔ)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(shí)用于補(bǔ)充VOUT、VOUT2和LDO輸出所需要的電流。
模擬開關(guān)模式電源設(shè)計(jì)人才在全世界都處于短缺狀態(tài)的局面，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖1所示的有效能量采集系統(tǒng)一直很難。不過(guò)，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(gè)器件可以從太陽(yáng)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(jì)，極大地簡(jiǎn)化了能量采集鏈條上難以進(jìn)行的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。
