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能量收集和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的轉折點即將到來

時間：2014-12-02 17:51 來源：凌力爾特公司作者：Tony Armstrong

背景

便攜式電源應用領域寬泛而多樣。產品涵蓋了從平均功耗僅幾 μW 的無線傳感器節(jié)點 (WSN) 到采用好幾百瓦時電池組的車載醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現(xiàn)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給電池充電。第一個趨勢將意味著增加電池容量。不幸的是，用戶常常缺乏耐心，而且增加的電池容量必須要在合理的時間之內完成充電，這就必然導致充電電流的增大。第二個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)”(IoT) 的無線傳感器用量的激增也使人們對于可適應無線低功率設備之小型、緊湊和高效電源轉換器的需求量有所增長。

隸屬于 IoT 領域、同時從能量收集的角度來看也是特別有趣的新興市場區(qū)段之一是可穿戴式電子產品。盡管尚處在其起步階段，但該區(qū)段中已經包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡 (Google Glass) 等產品。然而，一種業(yè)已獲得很高期望的特殊外形則來自于腕表。我現(xiàn)在說的不是取材于經典美國喜劇的 Dick Tracy 1940 年代雙向手表收音機 (其外形酷似腕表);我所指的是今天的版本，其擁有通過一部智能手機提供的話音和數(shù)據(jù)通信、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和流式視頻功能。目前市場上已經有了許多的產品實例，在亞馬遜 (Amazon) 公司的網(wǎng)站上快速搜索一下，立刻就會跳出半打以上的此類商品，其中最突出的一款是高通公司 (Qualcomm) 的 Toq 智能手表。不過，它與許多其他商品的光芒看似都被萬眾期待且傳聞已久的蘋果 iWatch 所掩蓋。

當然，可穿戴式技術并非僅用于人類，同樣也有很多面向動物的應用。近期的例子包括針對馬匹的超聲波治療貼片和電子鞍座優(yōu)化，還有安放在其他動物身上負責各自執(zhí)行跟蹤、識別、診斷等等功能的頸圈。無論是哪種應用，大多數(shù)此類設備都需要采用一個電池作為主電源。然而，就面向人類的應用而言，似乎不久就會出現(xiàn)可利用太陽能產生電力的可穿戴式纖維織物。您可以把它們想象為“電源”套裝!身處此項研究最前沿的一家公司是歐盟贊助的 Dephotex 計劃，其開發(fā)出了可使光伏材料的重量和柔性足以符合穿戴要求的方法。很自然，這種材料將把光子轉換為電能，而電能隨后被用于給用戶所穿戴的各種電子設備供電，或者為其主電池充電，甚至可兼用于這兩種用途。

電源轉換挑戰(zhàn)

低功率應用是諸如 WSN 中常見的能量收集系統(tǒng)等之毫微功率轉換要求，其必需采用負責處置非常低功率和電流的電源轉換 IC。這可以分別是幾十μW 的功率和 nA 級的電流。

最先進和現(xiàn)成有售的能量收集 (EH) 技術 (例如：振動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生毫瓦量級的功率。盡管這么低的功率似乎用起來很受限，但是若干年來收集組件的工作可以說明，無論就能量供應還是就所提供的每能量單位的成本而言，這些技術大體上與長壽命的主電池類似。而且，采用 EH 的系統(tǒng)通常將能夠在電池耗盡之后實施再充電，而這一點卻是由主電池供電的系統(tǒng)做不到的。盡管如此，大多數(shù)實施方案將使用某種環(huán)境能量源作為主電源，但將利用一個主電池為之提供補充，當環(huán)境能量源消失或中斷時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操作狀態(tài)的時間。因此，比較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。能量收集一般會遇到低的、可變的和不可預測的可用功率，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電源相連的混合結構。輔助電源可以是一個可再充電電池或一個存儲電容器 (甚至有可能是超級電容器)。收集器由于其可有無限的能量供應和功率不足而成為系統(tǒng)能源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集功率的環(huán)境能量時，必須采用輔助電能儲存器來給下游電子系統(tǒng)或 WSN 供電。當然，從系統(tǒng)設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進一步增加，因為他們現(xiàn)在必須考慮這樣一個問題：“為了對缺乏環(huán)境能量源的情況提供補償，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，對于此類系統(tǒng)的設計人員而言，目前已經有了很多具備必要的特性和性能特征的電源轉換 IC，其可實現(xiàn)這種在可穿戴式技術應用中使用的低收集功率。凌力爾特近期專為滿足該要求而推出了其 LTC3331，如圖 1 所示。

圖 1：LTC3331 能量收集器和電池壽命延長器

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

LTC3331 的 EH 電源由一個可適應 AC 或 DC 輸入的全波橋式整流器和一個高效率同步降壓型轉換器構成，其負責從壓電源 (AC)、太陽能 (DC) 或磁 (AC) 源收集能量。一個 10mA 分流器允許利用收集能量進行電池的簡單充電，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。可再充電電池負責為一個可在其輸入端電壓為 1.8V 至 5.5V 時正常運作的同步降壓-升壓型轉換器供電，并在沒有收集能量可用的情況下使用以調節(jié)輸出 (無論輸入是高于、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，它將只給電池充電。如果沒有這種邏輯功能，能量收集電源在某個非最佳操作點上將被阻塞于啟動，并且無法通過其啟動操作來為預期的應用電路供電。LTC3331 可在收集電源不再可用時自動地切換至電池供電。這帶來了額外的好處：如果能在至少一半的時間里提供一個合適的 EH 電源，那么電池供電式 WSN 的工作壽命就可從 10 年延長至 20 年以上，而如果 EH 電源的使用時間比例更高則電池的使用壽命還可以更長。另外，該器件還集成了一個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(xù)輸出電流，可使用多種輸入電源，包括單節(jié)或多節(jié)電池以及太陽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、低于或等于輸出時提供一個穩(wěn)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，在這類應用中，延長電池運行時間是最重要的。LTC3129 的 1.2MHz 恒定開關頻率可確保低噪聲和高效率，同時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(tǒng)的可穿戴式應用將具有用于實現(xiàn)其正確運作的眾多功率級 (從μW 至 1W 以上)，但可供系統(tǒng)設計人員選擇的電源轉換 IC 有很多。不過，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)電流可延長用于便攜式和可穿戴式電子產品中電路經常保持接通之電池壽命，同時實現(xiàn)了新一代的 EH 應用。這確實是個好消息，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。