背景

在功率范圍的低端，對能量收集系統(tǒng)有毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如：IoT 設(shè)備中常見的能量收集系統(tǒng)。在此類系統(tǒng)中，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉(zhuǎn)換 IC。功率和電流可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

最新和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 技術(shù)，例如：振動(dòng)能量收集產(chǎn)品以及室內(nèi)或可穿戴光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生 mW 量級的功率。盡管這個(gè)量級的功率或許看似有限，但是無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 等能量收集組件在若干年內(nèi)持續(xù)工作可能意味著，無論從所提供的能量還是從單位能量的成本上看，能量收集產(chǎn)品與長壽命主電池都大致相當(dāng)。雖然主電池聲稱能夠提供長達(dá) 10 年的壽命，但這在極大的程度上取決于從其取出的功率級別以及抽取功率的頻度。擁有能量收集能力的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過，大多數(shù)實(shí)施方案都將用某種環(huán)境能量源作為主電源，而用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能量源消失或中斷，就可以接入主電池。這可被認(rèn)為是一種“電池壽命延長器”能力，可為系統(tǒng)提供很長的工作壽命 ─ 這接近于電池的工作壽命，對于鋰亞硫酰氯化學(xué)組成來說通常約為 12 年。

當(dāng)然，能量收集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長時(shí)間。因此，能量收集電源的主要比較指標(biāo)是功率密度，而不是能量密度。能量收集的可用功率一般很低、可變和不可預(yù)測，所以常常使用連接至收集器和輔助電源的混合結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個(gè)存儲電容器。收集器由于能量供應(yīng)無限及功率不足而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲存庫 (或是電池或是電容器) 產(chǎn)生較大的輸出功率，但存儲較少的能量，在需要時(shí)供電，而在其他情況下則定期從能量收集器接收電荷。因此，在由于某種原因而沒有環(huán)境能量可供收集的時(shí)候，輔助電力儲存器可用來給下游電子系統(tǒng)或 WSN 供電。

IoT 也推動(dòng)了需求

支持物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的無線傳感器在激增，這增大了對面向較低功率無線設(shè)備而定制的小型、緊湊和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求。最近物聯(lián)網(wǎng)市場中新出現(xiàn)的細(xì)分市場之一是可穿戴電子產(chǎn)品市場，從能量收集的角度來看，這個(gè)細(xì)分市場尤其令人感興趣。雖然仍處于萌芽期，但是該細(xì)分市場包括了諸如跑步機(jī) (FitBit)、谷歌眼鏡 (Google Glass) 和蘋果智能手表 (Apple Watch) 等產(chǎn)品。當(dāng)然，可穿戴技術(shù)不僅面向人類，還有許多應(yīng)用是面向動(dòng)物的。近期出現(xiàn)的例子包括超聲波斑塊治療和針對馬匹的電子馬鞍優(yōu)化，以及針對其他動(dòng)物的頸圈，此類頸圈以各種方式完成跟蹤、識別、診斷等任務(wù)。

不管是什么應(yīng)用，此類設(shè)備大多需要一個(gè)電池作為主電源。然而，對于面向人類的應(yīng)用而言，似乎不久就會出現(xiàn)可利用太陽能產(chǎn)生電力的面料。您可以把這種面料做成的衣服想象成“電力”套裝。在這一研發(fā)領(lǐng)域處于前沿的一家公司正在實(shí)施歐盟資助的項(xiàng)目 Dephotex，這家公司有辦法制造重量足夠輕、柔性足夠好的可穿戴光伏材料。這種材料本身會將光子轉(zhuǎn)換成電能，然后用這種電能給用戶穿戴的各種電子設(shè)備供電，或者用來給這些設(shè)備的主電池充電，甚至兩種功能兼而有之。

IoT 的一個(gè)顯而易見的應(yīng)用是健康監(jiān)測，不管是針對醫(yī)院的病患或是十分重視健康的個(gè)人。生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是衡量人體基本機(jī)能的生命體征數(shù)據(jù)。此類信息包括體溫、脈搏 / 心率、呼吸速率和血壓。這些生命體征數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)中如果出現(xiàn)不良的變化，或許表示健康狀況下降，反之亦然。為了測量這些生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，醫(yī)院和醫(yī)生診室中當(dāng)然配備了齊全、昂貴的設(shè)備。不過，想象一下，假如不去醫(yī)療場所就能高效地測量此類生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，而且不用花費(fèi)很多，那么人們的生活質(zhì)量會有多大的改觀呢? 例如：在家里或工作場所，可以按照實(shí)時(shí)生命體征數(shù)據(jù)隨時(shí)地調(diào)整生活和行為方式，從而改善健康水平并有可能延長甚至挽救生命。另一個(gè)例子也許是使用外骨骼以幫助提高截癱患者的可動(dòng)性，如圖 1 所示。幸運(yùn)的是，設(shè)備成本大幅降低，先進(jìn)的傳感器技術(shù)不斷進(jìn)步，因此使智能醫(yī)療和保健可穿戴設(shè)備得以持續(xù)激增。這類可穿戴設(shè)備包括較簡單并可佩戴在身上的“單一生命體征”測量產(chǎn)品，也包括較復(fù)雜和到處都是傳感器的人體外骨骼設(shè)備。不過，從電源轉(zhuǎn)換 IC 的角度來看，劃分這些可穿戴設(shè)備的組成以及給這些設(shè)備高效供電并非微不足道之事。

圖 1：使用毫微功率 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的人類外骨骼示例

那么，典型智能可穿戴設(shè)備的運(yùn)行靠什么驅(qū)動(dòng)呢? 可以把它想象成一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)。準(zhǔn)確地劃分其組成顯然取決于設(shè)備本身;不過一般來說，智能型可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)包括下列部分：

• 一個(gè)微處理器或微控制器或類似的 IC
• 微機(jī)電傳感器 (MEMS)
• 小型機(jī)械執(zhí)行器
• 全球定位系統(tǒng) (GPS) IC
• 藍(lán)牙 / 蜂窩 / Wi-Fi 連接以收集 / 處理和同步數(shù)據(jù)
• 成像電子組件、LED
• 計(jì)算資源
• 可再充電電池或主 (不可再充電) 電池或電池組
• 支持性電子組件

因此，可穿戴設(shè)備的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)顯然是緊湊的外形尺寸、重量很輕以實(shí)現(xiàn)可穿戴性和舒適性，并擁有超低能耗以延長電池運(yùn)行時(shí)間 / 壽命。

實(shí)用型電源轉(zhuǎn)換解決方案

凌力爾特推出了多款電源轉(zhuǎn)換 IC，這些 IC 擁有實(shí)現(xiàn)此類可在 IoT 中使用的低收集功率所必需之特色和性能。

LTC3107 是一款高度集成的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其設(shè)計(jì)用于通過收集和管理來自極低輸入電壓電源 (例如：熱電發(fā)生器 [TEG] 和熱電堆) 的多余能量，以延長低功率無線系統(tǒng)中主電池的壽命。

當(dāng)采用 LTC3107 時(shí)，一個(gè)負(fù)載點(diǎn)能量收集器所需的空間極小，只要足以容納 LTC3107 的 3mm x 3mm DFN 封裝和少量的外部組件即可。通過產(chǎn)生一個(gè)跟蹤現(xiàn)有主電池電壓的輸出電壓，可無縫地采用 LTC3107 以把免費(fèi)熱能收集的成本節(jié)約帶到新的和現(xiàn)有的電池供電型設(shè)計(jì)中。此外，LTC3107 還能與一個(gè)小的熱能量源一起延長電池壽命 (在有些場合中可長達(dá)電池的保質(zhì)期)，從而降低了由更換電池所引起的經(jīng)常性維護(hù)成本。LTC3107 專為給電池提供補(bǔ)充甚至完全為負(fù)載供電而設(shè)計(jì)，這取決于負(fù)載情況和可用的收集能量。

另一個(gè)產(chǎn)品實(shí)例是 LTC3331 (見圖 2)，其為一款完整的能量收集調(diào)節(jié)解決方案，當(dāng)可收集能量可用時(shí)，提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流以延長電池壽命。當(dāng)用收集的能量向負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該器件不需要電池提供電源電流，而在無負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，僅需要 950nA 的工作電流。LTC3331 集成了一個(gè)高電壓能量收集電源和一個(gè)同步降壓-升壓型DC/DC 轉(zhuǎn)換器 (該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電)，以為無線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 和 IoT 設(shè)備等能量收集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷輸出。

圖 2：LTC3331 能轉(zhuǎn)換多種能源，并可使用一個(gè)可再充電主電池

LTC3331 的能量收集電源由一個(gè)適合 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(zhuǎn)換器組成，從壓電 (AC)、太陽能 (DC) 或磁性組件 (AC) 能源收集能量。一個(gè) 10mA 分路器用收集的能量實(shí)現(xiàn)簡便的電池充電，而低電量電池?cái)嘟庸δ軇t保護(hù)電池免于深度放電�？稍俪潆婋姵亟o同步降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入范圍內(nèi)工作，當(dāng)收集的能量不可用時(shí)用來調(diào)節(jié)輸出，而不管輸入高于、低于或等于輸出。在應(yīng)對微功率電源時(shí)，LTC3331 電池充電器擁有非常重要且不可忽視的電源管理功能。LTC3331 納入了對電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量收集電源有多余的能量時(shí)才給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量收集電源就會在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳的工作點(diǎn)上，不能完成啟動(dòng)，無法給目標(biāo)應(yīng)用供電。當(dāng)收集的能源不再可用時(shí)，LTC3331 自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到電池。這帶來了一個(gè)額外的好處，如果適合的能量收集電源至少在一半的時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的 WSN 將其工作壽命從 10 年延長至超過 20 年，假如能量收集能源更加普遍存在，那么壽命甚至更長。

最后，LTC3335 毫微功率降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)集成型庫侖計(jì)數(shù)器，其面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和通用的能量收集應(yīng)用。LTC3335 是一款高效率、低靜態(tài)電流 (680nA) 轉(zhuǎn)換器。其集成的庫侖計(jì)數(shù)器監(jiān)視長壽命電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量。這個(gè)計(jì)數(shù)器在一個(gè)內(nèi)部寄存器中存儲電池的累計(jì)放電量數(shù)字，該寄存器可通過 I²C 接口訪問。降壓-升壓型轉(zhuǎn)換器可在其輸入端上的電壓低至 1.8V 時(shí)工作，并提供了 8 個(gè)引腳可選輸出電壓，輸出電流高達(dá) 50mA。為了適合多種類型和尺寸的電池，峰值輸入電流的選擇范圍可以從低至 5mA 到高達(dá) 250mA，而全標(biāo)度庫侖計(jì)數(shù)器具有 32,768:1 的可編程范圍。

結(jié)論

智能 IoT 可穿戴設(shè)備市場近年來已出現(xiàn)爆炸性增長，涌現(xiàn)了面向保健與健身、醫(yī)療、信息娛樂、軍事和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的多種產(chǎn)品。包括使用傳感器的醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備在內(nèi)的新一波產(chǎn)品可監(jiān)視關(guān)鍵生物統(tǒng)計(jì)信息，例如在醫(yī)院以外測量心率和血壓，這為采用更加積極、健康的生活方式創(chuàng)造了機(jī)會。智能可穿戴設(shè)備的核心架構(gòu)取決于產(chǎn)品類型，但基本上由一個(gè)微控制器、MEMS 傳感器、無線連接電路、電池和支持性電子組件組成。

同樣，在旨在改善樓宇能源效率以及用于工業(yè)機(jī)械和橋接器的系統(tǒng)健康狀況監(jiān)測應(yīng)用中，WSN 中的能量收集技術(shù)運(yùn)用激增，這是低功率轉(zhuǎn)換解決方案的一個(gè)主要的推動(dòng)因素。因此，雖然給小電流可穿戴式設(shè)備供電可以證明是非常具挑戰(zhàn)性的，不過凌力爾特提供了一個(gè)領(lǐng)先的產(chǎn)品庫，它們能夠在低功率級別上實(shí)現(xiàn)非常高的性能。