能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉折點(diǎn)即將到來(lái)

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隸屬于IoT領(lǐng)域、同時(shí)從能量收集的角度來(lái)看也是值得期待的新興應用市場(chǎng)之一是可穿戴式電子產(chǎn)品。盡管其尚處在起步階段，但該市場(chǎng)已經(jīng)包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡等產(chǎn)品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。

據上海羿歌所認識，移動(dòng)電源應用領(lǐng)域寬泛而多樣。產(chǎn)品涵蓋了從平均功耗僅幾μW的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)(WSN)到采用好幾百瓦時(shí)電池組的車(chē)載醫療或數據采集系統等眾多門(mén)類(lèi)。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現出一些相對一致的發(fā)展趨勢；即：設計人員不斷地要求其產(chǎn)品擁有較高的功率以支持更多的功能，并指望能從任何可用的電源來(lái)給電池充電。

第一個(gè)趨勢將意味著(zhù)增加電池容量。不幸的是，用戶(hù)常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時(shí)間之內完成充電，這就必然導致充電電流的增大。第二個(gè)趨勢則要求電池充電解決方案具有巨大的靈活性，因為它們需要處理各種各樣的輸入電源和功率。此外，支持“物聯(lián)網(wǎng)”的無(wú)線(xiàn)傳感器用量的激增也使人們對于可適應無(wú)線(xiàn)低功率設備之小型、緊湊和高效電源轉換器的需求量有所增長(cháng)。

隸屬于IoT領(lǐng)域、同時(shí)從能量收集的角度來(lái)看也是值得期待的新興應用市場(chǎng)之一是可穿戴式電子產(chǎn)品。盡管其尚處在起步階段，但該市場(chǎng)已經(jīng)包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡等產(chǎn)品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。

電源轉換挑戰

低功率應用是指擁有毫微功率轉換要求的應用，比如WSN中常見(jiàn)的能量收集系統等，其必需采用負責處理極低功率和電流的電源轉換IC。這可以分別是數量級為幾十μW的功率和nA級的電流。

最先進(jìn)和現有的能量收集(EH)技術(shù)(例如：振動(dòng)能量收集和室內或可穿戴式光伏單元)在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來(lái)很受限，但是若干年來(lái)收集組件的經(jīng)驗可以說(shuō)明，無(wú)論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術(shù)大體上與長(cháng)壽命的電池類(lèi)似。而且，采用EH的系統通常將能夠在電池耗盡之后實(shí)施再充電，而這一點(diǎn)卻是由主電池供電的系統所做不到的。盡管如此，大多數解決方案還是將某種環(huán)境能量源作為主電源，但把一個(gè)主電池作備用，當環(huán)境能量源消失或中斷時(shí)可接通主電池以提供電能。

當然，由能量收集源所提供的能量取決于它處于工作狀態(tài)的時(shí)間。因此，能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般會(huì )遇到較低的、變化的和不可預測的可用功率，因而設計者通常采用了一種能量收集器和一個(gè)輔助電源相連的混合結構。輔助電源可以是一個(gè)可再充電電池或一個(gè)存儲電容 (甚至有可能是超級電容)。由于收集器可提供無(wú)限的能量供應和功率不足而成為系統能源。輔助電能儲存器 (一個(gè)電池或一個(gè)電容)可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在有需要時(shí)供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒(méi)有可供收集的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲存器來(lái)給下游電子系統或 WSN供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進(jìn)一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個(gè)問(wèn)題：“為了應對環(huán)境能量源缺乏的情況而提供補償，應在輔助儲存器中存儲多少能量呢?”

能量收集解決方案

幸運的是，對于此類(lèi)系統的設計人員而言，目前已經(jīng)有了很多具備必要的特性和性能的電源轉換IC，其可實(shí)現這種在可穿戴式技術(shù)應用中使用的低收集功率。凌力爾特近期專(zhuān)為滿(mǎn)足該要求而推出了其LTC3331，如圖1所示。

圖1 帶光耦合器和分流調節器的反激式調節器框圖

LTC3331是一款完整的調節EH解決方案，當有可收集能量可供使用時(shí)，其將提供高達 50mA 的連續輸出電流以延長(cháng)電池壽命。當采用收集能量來(lái)給負載提供穩定的功率時(shí)無(wú)需從電池吸收電源電流，而采用電池供電時(shí)，在無(wú)負載條件下的工作電流僅為950nA。LTC3331集成了一個(gè)高電壓EH電源和一個(gè)由可再充電主電池供電的同步降壓-升壓型DC/DC轉換器，可為WSN中的能量收集應用電路等產(chǎn)生單個(gè)不間斷的輸出。

LTC3331的EH電源由一個(gè)可適應AC或DC輸入的全波橋式整流器和一個(gè)高效率同步降壓型轉換器構成，其負責從壓電電源(AC)、太陽(yáng)能(DC)或磁(AC)源收集能量。一個(gè)10mA分流器允許利用收集能量進(jìn)行電池的簡(jiǎn)單充電，而一種低電池電量斷接功能則用于避免電池發(fā)生深度放電�？稍俪潆婋姵刎撠煘橐粋�(gè)可在其輸入端電壓為1.8V 至5.5V時(shí)正常運作的同步降壓-升壓型轉換器供電，并在沒(méi)有收集能量可用的情況下使用以調節輸出 (無(wú)論輸入是高于、低于還是等于輸出)。LTC3331 具備一種在處理微功率電源時(shí)不能忽視的重要電源管理功能。LTC3331 擁有電池充電器的邏輯控制功能，因而當能量收集電源具備多余的電能時(shí)，它將只給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯功能，能量收集電源在某個(gè)非最佳操作點(diǎn)上將被阻塞于啟動(dòng)，并且無(wú)法通過(guò)其啟動(dòng)操作來(lái)為預期的應用電路供電。LTC3331可在收集電源不再可用時(shí)自動(dòng)地切換至電池供電。這帶來(lái)了額外的好處：如果能在至少一半的時(shí)間里提供一個(gè)合適的EH電源，那么電池供電式WSN的工作壽命就可從10年延長(cháng)至20年以上，而如果EH電源的使用時(shí)間比例更高則電池的使用壽命還可以更長(cháng)。另外，該器件還集成了一個(gè)超級電容器平衡器以增加輸出存儲。

LTC3129是一款同步降壓-升壓型轉換器，其提供高達200mA的連續輸出電流，可使用多種輸入電源，包括單節或多節電池以及太陽(yáng)能電池板和超級電容器輸入。該器件具有2.42V至15V的輸入范圍和1.4V至15.75V的輸出范圍，可在輸入高于、低于或等于輸出時(shí)提供一個(gè)穩定的輸出。LTC3129采用的低噪聲降壓-升壓型拓撲在所有工作模式之間提供不間斷轉換，從而使該器件非常適合必須保持恒定輸出電壓的EH應用，即使在輸入電源電壓降至低于輸出電壓的情況下也不例外：見(jiàn)圖2。

圖2 LTC3129 15V/200mA降壓-升壓型轉換器

LTC3129包括可編程最大功率點(diǎn)控制(MPPC)功能，可確保從光伏電池等非理想電源抽取最大功率。僅為1.3μA的靜態(tài)電流使LTC3129非常適用于始終保持接通和能量收集應用，在這類(lèi)應用中，延長(cháng)電池運行時(shí)間是最重要的。LTC3129的1.2MHz恒定開(kāi)關(guān)頻率可確保低噪聲和高效率，同時(shí)最大限度地減小了外部組件的尺寸。

結論

盡管采用能量收集系統的可穿戴式應用將具有用于實(shí)現其正確運作的眾多功率級 (從μW至1W以上)，但可供系統設計人員選擇的電源轉換IC也有很多。不過(guò)，它處于功率范圍的低端，所需轉換的電流為nA級。正是這一點(diǎn)造成了選擇的受限。

幸運的是，LTC3331能量收集器和電池壽命延長(cháng)器與LTC3129低功率同步降壓-升壓型轉換器一起提供了極低的靜態(tài)電流，從而使得它們非常適合于諸多的低功率應用。低于1.3μA的靜態(tài)電流可延長(cháng)用于便攜式和可穿戴式電子產(chǎn)品中電路經(jīng)常保持接通之電池壽命，同時(shí)實(shí)現了新一代的 EH 應用。這確實(shí)是個(gè)好消息，因為我們正在邁向能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉折點(diǎn)。