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能量采集技術(shù)已經(jīng)面世很長(cháng)時(shí)間了。 我依然記得1980年代，我的袖珍計算器采用太陽(yáng)能電池為計算單元和LCD顯示器供電。 甚至在此之前的電氣革命早期階段，便已將發(fā)電器放在河上磨坊里，通過(guò)奔騰的水流發(fā)電并獲取可供使用的能源。 現在，當我們討論能量采集的時(shí)候，我們一般指用來(lái)代替電子設備中電池的電源。 因此，1980年的袖珍計算器例子非常符合我們現在所說(shuō)的“能量采集”。 能量采集系統設置 顯然，能量采集系統中最重要的就是采集器了，而最常見(jiàn)的是太陽(yáng)能電池。 采集器產(chǎn)生的電能需轉換為有用的電壓或電流，才能為系統供電，或者為超級電容和電池等中間儲能設備充電。 系統上電后，需針對電子設備產(chǎn)生正確的電壓。 圖1顯示了能滿(mǎn)足各種不同任務(wù)需要的電源管理單元。 使輸入阻抗匹配，以便最大程度采集能量、為中間儲能設備充電、從傳統原電池轉移電能、為系統生成正確的輸出電壓以及監控電流流動(dòng)和電壓，從而形成一個(gè)可靠的系統。 所有這些任務(wù)都必須在極低的電源條件下實(shí)現，以便系統能夠采用小型采集器或傳感器。 這些功能高度集成在DC-DC轉換器中，有助于降低這類(lèi)任務(wù)所需的電能。 圖1中的系統顯示了一個(gè)用于無(wú)線(xiàn)環(huán)境傳感器的典型能量采集系統。 這些傳感器通常用來(lái)檢測溫度、濕度或各種氣體，比如二氧化碳。 能量采集有很多其它應用。 無(wú)線(xiàn)占位傳感器或工業(yè)監控（比如資產(chǎn)追蹤和機器監控）中的安全與安保方面屬于工業(yè)應用。 能量采集還用于消費電子設備中，比如便攜式設備和可穿戴設備。 在家庭醫療保健應用中，無(wú)線(xiàn)病人監護需要在無(wú)電池的情況下使用，或者延長(cháng)電池壽命。 能量采集是目前非常流行的一個(gè)話(huà)題。 很多工程師都必須評估能量采集解決方案是否能代替或補充現有的能源解決方案。 這類(lèi)系統目前如此受歡迎的原因是我們最終達到了一個(gè)均衡點(diǎn)，即從相對成本較低且尺寸較小的采集器獲得的能量足以為極低功耗微控制器和RF電路供電。 過(guò)去數年內，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代和能耗都有了進(jìn)步，因此5到10年前不可行的很多應用現在都得以實(shí)現，且經(jīng)濟實(shí)惠。 圖1. 能量采集系統設置 不同的能量來(lái)源 能量有各種來(lái)源，最常見(jiàn)的是光伏(PV)、熱電(TEG)、電磁、壓電和RF。 光伏和熱電采集器產(chǎn)生直流電壓，而電磁、壓電和RF采集器產(chǎn)生交變電壓或交流電壓。 這便使得電源轉換技術(shù)的要求稍有不同。 圖2顯示了不同的采集類(lèi)型，以及一個(gè)尺寸為10平方厘米的采集器大致可以產(chǎn)生的能源量。 該圖左側顯示產(chǎn)生的能源，右側顯示針對不同任務(wù)的功耗。 注意，中間的功率尺度取對數。 這張圖很重要，可以從中獲得切實(shí)可行的設計思路。 很多時(shí)候，設計人員的工作和精力花費在評估能量采集解決方案上，最后卻發(fā)現所采集的能量不足以為特定系統供電。 圖2. 不同的能量來(lái)源和不同應用所需的能量要求 DC-DC轉換器單元的重要性 電源轉換和管理通常是現代能量采集系統的核心組件。 雖然某些應用并不采用復雜的功率器件，但更多應用的功率器件較為復雜。不含智能電源管理的系統示例有菊花鏈太陽(yáng)能電池堆棧，可生成相對較高的直流電壓，直接為系統供電或在兩者之間放置一個(gè)簡(jiǎn)單的線(xiàn)性穩壓器后供電。 這類(lèi)系統通常達不到最佳的能效，或者沒(méi)有經(jīng)過(guò)良好調節的電源電壓。 雖然某些負載可以在變化較大的電源電壓下工作，但另一些不行。 此外，更高級的系統傾向于要求使用某類(lèi)電壓轉換器和管理模塊。 圖3. 適合能量采集應用的電源管理器件功能框圖 圖3顯示了適合能量采集應用的現代電源管理器件的功能框圖。 它包含啟動(dòng)電路，該電路帶電荷泵，使輸入端上的啟動(dòng)電壓為380 mV。 系統運行后，ADP5090的內部電路由ADP5090的輸出電壓供電。 它是為能量采集系統上電的節點(diǎn)。 當節點(diǎn)高于1.9 V時(shí)，輸入電壓可能下降至80 mV，但依然可采集能量。 這對于那些在非最優(yōu)情況下花了很多時(shí)間的系統而言非常有用， 比如采用太陽(yáng)能電池供電的室內傳感器。 太陽(yáng)能電池在早上和晚上受到的光照可能很少，進(jìn)而產(chǎn)生的電能也非常少。 在這些時(shí)間內采集一定能量有利于給定時(shí)間段內的總功率預算。 ADP5090具有低靜態(tài)電流特性，因而從另一方面改善了這類(lèi)情況。 需注意的是，其功耗僅為260 nA。 圖4顯示了一個(gè)典型的實(shí)際應用。 該曲線(xiàn)顯示了住宅樓內的不同位置，以及采用太陽(yáng)能電池的傳感器處于黑暗中的典型時(shí)間。 當然，這只是一個(gè)典型案例。 傳感器接收的光量取決于房子的結構，包括窗戶(hù)數量、在用的電燈數量以及傳感器的確切位置。 此外，一年中的季節和房子的位置也會(huì )影響這類(lèi)圖形。 重點(diǎn)在于，在這種變化較大的照明條件下，ADP5090的低功耗特性對總功率預算極為有幫助，尤其是那些大部分時(shí)間都處于黑暗中的場(chǎng)所。 圖4. 不同住宅樓位置的傳感器處于黑暗中的典型時(shí)間 ADP5090中的DC-DC轉換器級很有意思。 正如大部分DC-DC轉換器，它具有調節環(huán)路。 然而，它既不會(huì )調節輸出電壓，也不會(huì )調節輸出電流。 調節環(huán)路主要以調節輸入阻抗的方式設置。 太陽(yáng)能電池的電流和電壓表現如圖5所示。在開(kāi)環(huán)條件下，沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，所提供的電壓達到最大值。 然后，隨著(zhù)電流流動(dòng)，電壓開(kāi)始下降。 在極高的電流下，電壓下降得非�？�。 在曲線(xiàn)的中部形成了一個(gè)膝蓋形狀，它就是峰值功率點(diǎn)。 在該點(diǎn)處，電壓依然相對較高，但吸取了較多電流。 為了在最大峰值功率點(diǎn)處工作，我們需要跟蹤這一點(diǎn)。 僅設置一個(gè)我們所描繪的固定電流值是無(wú)法工作的，因為圖5中特定太陽(yáng)能電池的曲線(xiàn)將根據不同的光照條件而發(fā)生偏移。 如需跟蹤MPP（最大峰值功率點(diǎn)），則ADP5090停止在輸入端傳導電流并在不加載 太陽(yáng)能電池電壓的情況下檢查該電壓，然后設置下一個(gè)16秒的MPP。 經(jīng)過(guò)此時(shí)間周期之后，再次執行開(kāi)環(huán)檢查。 16秒是個(gè)良好的折衷點(diǎn)，既遠離MPP漂移，又不會(huì )過(guò)于頻繁地中斷采集操作。 圖5. 典型光伏電池的電壓和電流曲線(xiàn) 圖6. 適合能量采集應用的電源管理級示例 MPP跟蹤確保大部分能量從光伏電池或熱電發(fā)生器等電源采集， 但電源管理單元還有其它任務(wù)。 例如，它需要在某個(gè)電壓窗口內控制輸出電壓。 ADP5090用作電流源，為超級電容或電池充電。 此元件對于消耗能量的能量采集而言很重要。 這樣可以實(shí)現很多沒(méi)有恒定可用能量供采集的系統，并以指定間隔執行某些系統任務(wù)。 例如，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的某個(gè)傳感器需要每隔5分鐘發(fā)送一次溫度值。 如果該傳感器由太陽(yáng)能電池供電，那么它依然可以在沒(méi)有光照的時(shí)間工作，因為它可以即時(shí)儲能。 目前一個(gè)非常受歡迎的架構是將能量采集設備加入原電池供電的系統中。 使用不可充電電池的產(chǎn)品可以成功地通過(guò)加入能量采集功能來(lái)延長(cháng)系統壽命。 這樣可以延長(cháng)工作時(shí)間，而不會(huì )影響系統的可靠性。 針對這類(lèi)混合系統，ADP5090提供控制原電池的能力。 當沒(méi)有足夠的采集能量時(shí)，原電池的電源路徑便轉而直接為負載供電。 圖6顯示了一個(gè)完整的能量采集功率級，不僅包含主ADP5090 MPPT能量采集IC，還帶有一個(gè)備用IC，即ADP5310。 它是一款DC-DC轉換器，可以非常高效地產(chǎn)生兩路輸出電壓。 在100 μA輸出電流時(shí)，其效率接近90%。 此外，ADP5310還集成了一個(gè)負載開(kāi)關(guān)。 此負載開(kāi)關(guān)可用來(lái)關(guān)閉那些持續消耗能量的負載，哪怕這些負載并未使用。 ADP5310降壓轉換器支持的輸入電壓最高達15 V。因此，這款器件可以直接用于交流電壓生成器，比如壓電類(lèi)或電磁類(lèi)生成器。 只需一個(gè)橋式整流器，輸出電壓便可直接饋入ADP5310。 現在，很多電源管理集成電路均針對能量采集應用而專(zhuān)門(mén)設計。 它們可讓系統支持更小的采集器，或者實(shí)現數年前無(wú)法設計出來(lái)的能量采集解決方案。 系統設計人員有一些好的想法現在正在實(shí)施中，不久之后我們就能見(jiàn)證它們的實(shí)現并贊嘆不已。 |
