背景信息

我們周圍到處都是能量，它們以熱、光、電流甚至機電能的形式存在。不過，人們常常發(fā)現，這些能源提供的能量太少了，無法為任何實際用途連續(xù)提供充足的功率。實際上，直到不久前，除了太陽能和地熱能，一直無法從其他形式的能源中獲得充足的能量來執(zhí)行任何有用的功能。能量收集是從一種或多種這類自然存在的能源收集微量能量、然后再把收集到的能量累積或存儲起來以備之后使用的過程。能量收集設備可以高效獲得、累積、存儲、調節(jié)和管理環(huán)境能量，而且所用調節(jié)方式適合將這類能量用于執(zhí)行有用的功能。

最近的技術進步已經提高了設備從自然環(huán)境中獲得微量能量并將其轉換成電能的效率。此外，轉換器技術的進步不僅提高了電源轉換效率，還降低了轉換器的內部功耗需求。這些進步已經激發(fā)起工程界的興趣，促使他們開發(fā)更多利用能量收集技術的應用。

從部署了遠程應用且自然能源從根本上不可能耗盡的環(huán)境中收集能量，日益成為一種引人注意以替代有線電源或電池的供電方式。自然能源從本質上來說是免費能源，如果得到恰當利用，可以無需維護，且通常在很多應用的工作壽命中始終可用。

另外，能量收集可以用作輔助能源以補充如電池等主電源，這極大地延長了電池壽命，從而降低維護費用。

能量收集應用

現在有很多應用將能量收集電源作為主電源使用。例如，無線傳感器網絡 (WSN) 常常受益于能量收集電源。如果一個無線節(jié)點部署在偏遠地點，有線電源或電池或者不夠可靠或者不可用，那么就可用收集的能量提供節(jié)點運行所需功率。在其他一些情況下，多種能源可用來提高給定系統(tǒng)的總體效率和可靠性。

一些較常見的可收集能量包括：

· 機械能 – 來自振動、機械壓力和應變力

· 熱能 – 爐子、加熱器、馬達和摩擦運動等浪費的能量

· 光能 – 通過光電二極管或太陽能電池從太陽光或室內照明中獲得的能量

· 電磁能 – 來自電感器、線圈和變壓器

· 自然環(huán)境中的能量 – 來自風、水流、洋流、電流和太陽

· 人體能量 – 通過運動等產生的機械能和熱能

· 其他能量 – 來自化學和生物源

需要提到的重要一點是，所有這些能源幾乎都不受限制，且本質上是免費的，只要在系統(tǒng)部署位置或靠近系統(tǒng)部署位置能夠獲得就行。

典型的能量收集系統(tǒng)需要諸如振動、熱量或光等能源以及一些關鍵電子組件，包括：

· 能量轉換設備 (換能器)，例如壓電組件或太陽能電池板，可將環(huán)境能源轉換成電能

· 能量收集轉換 IC 以獲得、存儲和管理電能

· 傳感器、微控制器和收發(fā)器，作為 WSN 的組成部分以讀取、記錄和傳送數據

· 可選的補充性能量存儲設備，例如薄膜型主電池或超級電容器

很重要的一點是，電源轉換設備需要有很高的效率和很低的靜態(tài)電流，這樣大部分收集的能量才能用于給傳感器網絡或控制電路供電，或者用來監(jiān)視設備。此外，必須了解可收集能源能夠提供多大的平均功率，以及給特定設備供電需要多少能量 (工作占空比)。

能量收集 IC 解決方案

幸運的是，為了處理、存儲和使用收集的能量，凌力爾特提供了幾款能量收集器件。LTC3106 是其中之一，這是一款高集成度、超低電壓降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，具備為多種輸入能源和低功率系統(tǒng)而優(yōu)化的自動電源通路 (PowerPath) 管理功能。如果主電源不可用，那么 LTC3106 就無縫地切換到備份電源，且與可再充電電池或主電池兼容，無論何時，只要有剩余能量可用，就可以給備份電池涓流充電。如果使用的輸入能源是光源，那么可選最大功率點控制功能確保在電源和負載之間的功率傳送是優(yōu)化的。在無負載時，LTC3106 僅消耗 1.6μA 電流，同時從任何輸入能源產生高達 5V 的輸出電壓。圖 1 顯示了一個典型的原理圖。

圖 1：LTC3106 采用太陽能電池板或主電池為下游負載連續(xù)供電

LTC3106 采用電源通路 (PowerPath™) 控制架構，允許使用單個電感器，通過在兩個電源輸入之間無縫轉換，產生用戶可選和固定的穩(wěn)定輸出電壓。如果輸入電源 (V_IN) 可用，降壓-升壓型穩(wěn)壓器就用 V_IN 工作，向負載提供高達 300mA 的電流。如果 V_IN 不可用，那么穩(wěn)壓器就選擇將 V_STORE/V_CAP 作為其輸入，向負載提供高達 50mA 的電流。如果用可再充電電池作為備份電源，那么還提供小電流再充電電源通路，從而允許在輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時，用多余的輸入能量給備份電源充電。用戶可選的較高和較低充電 / 放電門限適用于多種電池化學組成，可針對過度充電 / 深度放電保護電池。當主電池用作備份電源時，充電可以從外部用 PRI 禁止

在沒有備份電源時，主輸入電壓 V_IN 可配置為在 850mV 至 5.1V 電壓范圍內工作，有備份電源時 (例如主電池) 則配置為在 330mV 至 5.1V 范圍內工作。這樣的范圍適合多種類型的電源，包括高阻抗電源 (例如小型太陽能電池板)。為了確保獲得最大功率，LTC3106 集成了一個準確的 RUN 引腳和可選最大功率點函數。二者均可用來控制穩(wěn)壓器接通點，使其位于輸入電源的最大功率點上。對于較高功率的輸入電源而言，準確的 RUN 引腳函數非常適合用來將可預測的穩(wěn)壓器接通點設定到特定輸入電壓上。

萬一由可收集能量提供的輸入電壓消失了，那么主電池或輔助電池可從 V_STORE 連接至 GND，以給系統(tǒng)供電。在電池是可再充電的情況下，將從這個引腳獲得給電池涓流充電的電流，直至達到最高可選電壓。

LTC3106 可用兩個輸入電壓源之一啟動，但給 V_IN 優(yōu)先級。AUX 輸出最初是在同步整流器被禁止的情況下充電的。一旦 V_AUX 達到最終電壓，輸出電壓也開始異步充電，直至 V_OUT 達到約 1.2V。然后，轉換器退出異步模式，以支持更高效的同步啟動模式，直至 V_OUT 處于穩(wěn)定狀態(tài)，器件進入正常工作模式為止。V_AUX 充電時輸出電壓上升是正常的。主輸出電壓是用戶設定的，可設定為 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 這 4 個預置穩(wěn)定電壓之一。

設計實例

在僅由電池供電的傳統(tǒng)型無線網絡節(jié)點中，主控制單元 (MCU) 直接連接到電池。在這類應用中，有幾種因素導致電池容量減小。一般而言，這類無線系統(tǒng)以非常低的頻率輪詢節(jié)點，待用周期功率非常低，偶爾需要與該節(jié)點通信時，會有一些大電流突發(fā)。有脈沖負載時，峰值電流可能遠遠大于電池制造商給出的標稱漏電流，從而使電池容量減小到超出在典型靜態(tài)漏電流情況下所規(guī)定的值。此外，就大多數 MCU (典型最小值為 2V) 而言，可用輸入電壓限制了可用電池容量。

圖 2 所示應用電路顯示了與 AM-1816 太陽能電池板連接的 LTC3106，其總體尺寸為 9.8cm x 5.7cm (胸卡大小)，CR2032 主電池起補充作用，該應用電路配置為向脈沖負載輸出供電。盡管能量收集系統(tǒng)可能無需電池，但是他可以起到補充作用，而且電池壽命可以得到延長。當有充足的環(huán)境能源可用時，就不給電池加載，僅當環(huán)境能源不足以帶動負載時，才使用電池。這不僅延長了電池壽命，也通過延長電池壽命提高了可靠性，同時還降低了維護成本。

圖 2：配置為太陽能收集器、具主電池備份電源、給無線網絡節(jié)點供電的 LTC3106

LTC3106 的主輸入電壓 (V_IN) 在很寬的電壓范圍內滿足高阻抗太陽能電池需求。太陽能電池按照其輸出功率、所用材料 (晶體硅、無定形硅、化合物半導體等) 和應用環(huán)境 (室內或室外照明) 分類。三洋電機的 Amorton 產品線 (松下一個子公司的產品) 提供了多種太陽能電池，以滿足各種照明條件 (參見表 1，了解典型照明條件)、功率大小以及針對特定應用的尺寸和形狀定制電池的要求。

表 1：典型照明條件

表 2 列出了適合與 LTC3106 一起使用的其他小型太陽能電池 (也稱為模塊或太陽能電池板) 之生產公司。

表 2：與 LTC3106 兼容的光伏板制造商

AM-1816 板的 I-V 和 P-V 曲線如圖 3 所示。電池的最大功率 (P_MAX) 隨光照強度變化而改變，但是 P_MAX 點上的電壓僅有輕微變化。在這個應用實例中，VIN 門限電壓用 RUN 引腳上的電阻分壓器設定為等于 P_MAX 點上的電壓。輸入電壓上升的 UVLO 門限 V_IN(OV) 設定點選定為 4.2V。由于內部遲滯，那么 V_IN(UV) 為 3.8V，因此從制造商提供有關 AM-1816 太陽能電池的 I-V 和 P-V 數據看，最大功率點上的平均 V_IN 電壓約為 4V。

圖 3：在可變光照情況下測得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲線

就這個應用而言，負載是低功率 RF 設備，其負載曲線如圖 4 所示。工作區(qū)、輸出和功耗如表 3 所示，表中還列出了每個所確定的峰值電流。

圖 4：圖 2 原理圖的應用負載曲線

表 3：圖 2 原理圖的應用負載曲線功率預算

上述負載曲線的 LTC3106 總平均功耗為 37µW。電阻器分壓器負載額外增加了 5µW 輸入功耗，總的輸入功率需求為 207µW。計算得出的平均效率 (包括電阻分壓器在內) η = 165µW/207µW = 80%。200 流明時 AM-1816 的可用功率約為 400µW。憑借約為 80% 的轉換器效率，這 400µW 給總共 207µW 的平均負載供電并有一定的裕度，無需從電池吸取電流。如果光照條件變得不那么有利，那么可用輸入功率也許降至低于保持輸出電壓所需的值。這時，LTC3106 會以“打嗝”模式工作，在 V_IN 升至高于 4.2V 時接通，降至低于 3.8V 時斷開。當 V_IN 斷開時，就用 V_STORE (主電池) 供電，直至 V_IN 恢復并升至高于 4.2V 門限為止。如果光照條件變得更加有利，V_IN 會升至能量收集電源的開路電壓，并再次提供所有負載功率。

結論

即使有些能量收集電源僅提供很低的可用功率 (如本文所示胸卡大小的太陽能電池設計實例)，但是他們足以給大多數無線傳感器供電。LTC3106 降壓-升壓型 DC/DC 轉換器為低功率系統(tǒng)中常見的多種輸入電源而優(yōu)化，為多種能量收集應用提供必要的功能。因此，諸如 WSN 等能量收集系統(tǒng)設計師現在有了有用和恰當的電源轉換 IC，可極大地簡化設計任務了。