小型光伏電池在能量收集應(yīng)用中找到用武之地

超低功率解決方案可用于眾多的無線系統(tǒng)，包括交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測、工業(yè)檢測、樓宇自動化和貴重物品追蹤。此類系統(tǒng)通常在其服役生涯的大部分時間里都處于待機睡眠模式，僅需極低的μW級功率。當(dāng)被喚醒時，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機械偏轉(zhuǎn)等參數(shù)并以無線的方式把這些數(shù)據(jù)傳送至一個遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。整個測量、處理和傳送時間通常只有幾十 ms，但在此短暫期間內(nèi)有可能需要幾百 mW 的功率。由于這些應(yīng)用的占空比很低，因此必須收集的平均功率也會相對較低。電源可能就是一節(jié)電池而已。然而，電池將不得不以某種方式進行再充電，最終還得更換。在許多此類應(yīng)用中，實際更換電池的成本之高使其缺乏可行性。這使得環(huán)境能量源成為了一種更具吸引力的替代方案。

 

就樓宇自動化而言，諸如占有傳感器、溫度自動調(diào)節(jié)器和光控開關(guān)等系統(tǒng)能夠免除通常所需的電源或控制線路，而代之以一個機械或能量收集系統(tǒng)。除了可以免除首先進行線路安裝 (或在無線應(yīng)用中定期更換電池) 的需要之外，這種替代方法還能減低有線系統(tǒng)往往存在的例行維護成本。

類似地，運用能量收集技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒁淮苯ㄖ飪?nèi)任何數(shù)目的傳感器鏈接到一起，以通過在建筑物內(nèi)無人居住時關(guān)斷非緊要區(qū)域的供電來降低采暖、通風(fēng)和空調(diào) (HVAC) 以及照明成本。

典型的能量收集配置或無線傳感器節(jié)點由 4 個模塊組成 (見圖 1)。它們是：1) 一個環(huán)境能量源，比如：太陽能電池；2) 一個用于給節(jié)點的其余部分供電的功率轉(zhuǎn)換組件；3) 一個將節(jié)點鏈接到現(xiàn)實世界的感測組件以及一個計算組件 (由微處理器或微控制器組成，負(fù)責(zé)處理測量數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)存貯到存儲器中)；和 4) 一個由短程無線單元組成的通信組件，用于實現(xiàn)與相鄰節(jié)點及外部世界的無線通信。

環(huán)境能量源的實例包括連接到某個發(fā)熱源 (例如：HVAC 管道) 的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆，抑或是連接至某個機械振動源 (如：窗玻璃) 及太陽能電池的壓電換能器。在存在發(fā)熱源的情況下，緊湊的熱電器件 (常被稱為“換能器”) 能夠?qū)⒑苄〉臏夭钷D(zhuǎn)換為電能。而當(dāng)存在機械振動或應(yīng)變時，則壓電器件能夠用來把很小的振動或應(yīng)變差轉(zhuǎn)換為電能。最后，在存在光源的場合中，光伏電池在峰值日照條件下每平方厘米的面積能產(chǎn)生 50W 以上的電功率，而在室內(nèi)照明條件下則可產(chǎn)生高達 100μW 的電功率。

 

該鏈路中的每個電路模塊迄今都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應(yīng)用。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有一段時間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實現(xiàn)與微控制器的集成 (以提供非常低功率的無線連接)。不過，該鏈路中所欠缺的一直是能量收集 IC。

現(xiàn)有的能量收集器/管理器模塊實現(xiàn)方案往往采用性能相對較低的分立型結(jié)構(gòu)，通常包括 30 個或更多的組件。此類設(shè)計具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個缺陷均導(dǎo)致需要使用較大和更加昂貴的電池及太陽能電池，因而損害了最終系統(tǒng)的性能。如果不采用這些較大的儲能元件，低轉(zhuǎn)換效率將增加系統(tǒng)上電所需的時間，這反過來又將延長從獲取一個傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時間間隔。功率轉(zhuǎn)換電路中的高靜態(tài)電流會嚴(yán)重限制所能收集并輸送至應(yīng)用負(fù)載的“可用”能量。而且，同時實現(xiàn)低靜態(tài)電流運作和高功率轉(zhuǎn)換效率還必需擁有高深的模擬開關(guān)模式電源專門知識 —— 這很少能夠輕易獲得。

“缺失的一環(huán)”一直是能夠采集和管理來自極低功率電源之剩余能量的高集成度 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

 

能量收集 —— —個案研究

我們以一個基于能量收集的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)為例進行研究，比如：埋置于偏僻荒野之中的地下輸油管，它需要連續(xù)監(jiān)測其流速、溫度和壓力 (沿管道每 50 米為一段)。每個節(jié)點均具有內(nèi)置于管道壁中的溫度、壓力和流量傳感器。必須每 5 秒鐘進行一次測量并報告測量結(jié)果。由于輸油管線長達數(shù)百英里，因此鋪設(shè)供電和信息線路將非常昂貴，且必須提供不間斷的維護，有可能需要進行代價高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項很花錢的工作，這是因為電池的數(shù)目十分龐大，而且偏僻地域的道路往往崎嶇難行。我們所需要的是一種能夠持續(xù)產(chǎn)生足夠功率的電源 —— 它隨時可用并可自我保持。最常見和易于使用的能量源之一可能是一個與諸如電池或超級電容器等儲能元件協(xié)同運作的小型太陽能電池，用于在夜間及惡劣天氣條件下提供持續(xù)供電。

 

凌力爾特公司近期推出了 LTC3105，這是一款超低電壓升壓型轉(zhuǎn)換器，專為大幅度地簡化收集和管理那些來自低電壓和高阻抗替代電源 (例如：光伏電池、TEG [熱電發(fā)生器] 和燃料電池) 之能量的任務(wù)而設(shè)計。該器件的同步升壓型設(shè)計可在低至 250mV 的輸入電壓條件下啟動，因而使其非常適合甚至是處于不太理想照明條件下的極小光伏電池收集能量。其 0.2V 至 5V 的寬輸入電壓范圍使得它成為眾多應(yīng)用的合適之選。一個集成的最大功率點控制器 (MPPC) 使得能夠直接從高阻抗電源 (比如光伏電池) 來運作，從而防止輸入電源電壓驟降至可由用戶來設(shè)置的 MPPC 以下。峰值電流限值自動進行調(diào)節(jié)，以最大限度地增加從替代能源所吸取的功率，而突發(fā)模式 (Burst Mode[!--empirenews.page--]^®) 操作則可將靜態(tài)電流減小至僅 18μA，從而優(yōu)化轉(zhuǎn)換器的效率。

圖 2 中示出的電路采用 LTC3105 從單個光伏電池給單節(jié)鋰離子電池充電。該電路使電池能夠在太陽能電源可用時持續(xù)充電，而反過來，當(dāng)太陽能電源不再可用時，電池也能夠利用儲存的能量來為某個應(yīng)用電路 (例如：一個無線傳感器節(jié)點) 供電。

 

LTC3105 能夠在低至 250mV 的電壓條件下起動。在啟動期間，AUX 輸出最初利用停用的同步整流器來充電。當(dāng) V_AUX 達到約 1.4V 時，轉(zhuǎn)換器將退出啟動模式并進入正常操作狀態(tài)。在啟動期間未啟用最大功率點控制器；然而，在內(nèi)部將電流限制至足夠低的水平以從弱輸入電源實現(xiàn)啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于啟動模式時，位于 AUX 和 V_OUT 之間的內(nèi)部開關(guān)處于停用狀態(tài)，而且 LDO 被停用。典型的啟動序列實例請參閱圖 3。

 

當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓和 >1.2V 時，同步整流器被使能。在該模式中，位于SW 和 GND 之間的 N 溝道 MOSFET 被使能，直到電感器電流達到峰值電流限值為止。一旦達到電流限值，N 溝道 MOSFET 將關(guān)斷，而位于 SW 和受驅(qū)動輸出之間的 P 溝道 MOSFET 被使能。此開關(guān)保持接通狀態(tài)，直到電感器電流減小至谷值電流限值以下為止，然后該循環(huán)將重復(fù)。當(dāng) V_OUT 達到穩(wěn)壓點時，連接至 SW 引腳的 N 溝道和 P 溝道 MOSFET 被停用，轉(zhuǎn)換器將進入睡眠模式。

 

為了給微控制器和外部傳感器供電，一個集成的 LDO 提供了一個 6mA 穩(wěn)壓電源軌。集成的 MPPC 電路允許用戶針對某種給定的電源來設(shè)定最佳的輸入電壓工作點。此外，該 MPPC 電路還可動態(tài)地調(diào)節(jié)平均電感器電流，以防止輸入電壓降至 MPPC 門限以下。

 

電源管理是實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線檢測的關(guān)鍵一面。不過，電源管理的實現(xiàn)必須從設(shè)計理念開始就是正確的。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員和系統(tǒng)規(guī)劃人員從一開始就必需劃分其電源管理需求的優(yōu)先順序，以確保高效率設(shè)計以及從長遠(yuǎn)來看部署是成功的。LTC3105 是一款能量收集 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，專為大幅度地簡化收集和管理那些來自低電壓和高阻抗替代電源 (例如：光伏電池、TEG 和燃料電池) 之能量的任務(wù)而設(shè)計。板載最大功率點控制對于在各種條件下從眾多能量源所提取的能量進行了優(yōu)化。