發布日期：2022-04-17 點擊率：43
在全球，我們的周圍存在大量的環境能源，傳統的能量收集方法已在太陽能板和風力發電機上使用。 但是，仍有新型收集工具可從大量環境來源生成電能。 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：
低待機靜態電流 – 通常小于 6μA，并可低至 450nA
低啟動電壓 – 可低至 20 mV
高輸入電壓能力 – 高達 34 V（連續）和 40 V（瞬態）
能夠處理 AC 輸入
多路輸出能力和自主型系統電源管理
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，系統內的傳感器會將環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器。
嘗試實現 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？ 或者，再考慮兩個更重要的問題：數據包會有多大？傳送數據包需要多少功率？ 這是由于在系統用于單次傳感器讀數和數據包傳送上所耗的能量中，收發器的能耗約占 50%。 有若干因素會影響能量收集系統或 WSN 的功耗特性，這些都需要考慮進來。
當然，由環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的能量源。 輔助電能儲存器（電池或電容器）可產生較高的輸出功率，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境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN 供電。 當然，從系統設計人員的角度來看，這進一步增加了復雜性，因為他們現在不得不考慮：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，Linear Technology 專門開發的 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 的連續輸出電流，采用 3mm x 3mm（或 MSOP10-E）封裝 – 見圖 1。 該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電型應用，包括“持續運作”電路、傳感器和工業控制電源。
圖 1：LTC3388-1/-3 典型應用示意圖
LTC3388-1/-3 運用遲滯同步整流方法優化了寬負載電流范圍的效率。 它在 15μA 至 50mA 負載范圍內可提供超過 90% 的效率，且僅需 400nA 的靜態電流，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，從而將靜態電流減小至僅為 400nA。 一旦處于穩壓狀態（無負載時），LTC3388-1/-3 將進入休眠模式，以最大限度地降低靜態電流至僅為 720nA。 然后，該降壓轉換器按需接通和斷開，以保持輸出調節狀態。 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）的調節狀態時，還提供附加待機模式來禁止切換。 這種高效率、低靜態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 是一款并聯電池充電器系統，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、間歇或連續充電來源（如能量收集應用提供的來源）來充電。 電池內熱調節器可降低浮充電壓，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 2mm x 3mm DFN 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。
盡管便攜式應用和能量收集系統正常工作時功率級別差異很大（從數微瓦至 1W 以上），但仍有很多功率轉換 IC 可供系統設計師選擇。 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 的靜態電流可延長低功率傳感器以及新一代 WSN 中持續運作電路的電池壽命。
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