飛機狀況監(jiān)視

飛機老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災難發(fā)生，所有飛機都須定期接受機身維護檢查。

大型機群的結構疲勞曾經是一個需要解決的嚴重問題，幸運的是，這個問題已經解決了。通過進行更多的檢查、改進的結構分析和跟蹤方法以及采用新的、創(chuàng)新性理念評估結構的完整性，人們已經解決了這個問題。這有時被稱為“飛機狀況監(jiān)視”。監(jiān)視飛機狀況的過程中采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法，以連續(xù)、實時地評估飛機狀況。

聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結構中產生裂縫的先進方法，它可以方便地診斷合成型飛機結構的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的“通過”、“未通過”形式指示結構完整性，或者立即進行維修。這種檢測方法使用由壓電芯片構成的扁平外形檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結構體表面，通過三角定位能夠定位裝載有傳感器的結構體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。

因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結構分析。不過為這些傳感器供電可能很復雜，因此，如果以無線方式供電甚至實現(xiàn)自助供電，那么這些傳感器模塊可能更方便使用，效率也更高。在飛機環(huán)境中，存在很多“免費”能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然的方法是熱能收集和壓電能收集。這兩種方法各有優(yōu)缺點，下面將進行更詳細的討論。

能量收集的基本原理

從溫差 (熱電發(fā)生器或熱電堆)、機械振動或壓力 (壓電或機電器件)和光 (光伏器件) 等可方便得到的物理來源產生電的換能器，對于很多應用來說是可行的電源。眾多無線傳感器、遠端監(jiān)視器和其它低功率應用正在變成接近“零”電源的設備，它們僅使用收集的能源。

盡管能量收集的概念已經出現(xiàn)很多年了，但是在真實環(huán)境中實現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復雜并昂貴。不過，有些市場已經采用了能量收集方法，其中包括運輸基礎設施、無線醫(yī)療設備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化。

典型的能量收集配置或系統(tǒng) (由圖 1 所示的 4 個主要電路系統(tǒng)方框代表) 通常含有一個免費能源。這類能源的例子包括附在飛機發(fā)動機等發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器 (TEG) 或熱電堆，或者附在飛機機架或機翼等機械振動源上的壓電換能器。


圖1 一個典型能量收集系統(tǒng)的 4 個主要方框

[!--empirenews.page--]在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉換成電能。而在振動或壓力可用的情況下，一個壓電器件可以將小的振動或壓力差轉換成電能。在任何一種情況下，所產生的電能都可用一個能量收集電路 (圖 1中的第二個方框) 轉換，并調整為可用形式，以給下游電路供電。這些下游電子組件通常由某種傳感器、模數(shù)轉換器和超低功率微控制器 (圖 1 中的第三個方框) 組成。這些組件可以接受這種收集的能量，現(xiàn)在收集的能量以電流形式出現(xiàn)，并且喚醒一個傳感器以獲取讀數(shù)或測量值，然后通過一個超低功率無線收發(fā)器傳送這些數(shù)據(jù)，無線收發(fā)器由圖 1 所示電路鏈的第四個方框代表。

這個鏈中的每一個電路系統(tǒng)方框都有自己獨特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經削弱了電路系統(tǒng)經濟上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經上市兩三年了，不過最近超低功率收發(fā)器才提供商用產品。然而，在這個鏈中，最落后的一直是能量收集器。

能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立組件配置，通常由 30 個或更多組件組成。這種設計轉換效率低，靜態(tài)電流大，從而導致最終系統(tǒng)性能受損。低轉換效率導致了系統(tǒng)加電所需時間延長，反過來又延長了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出，因為能量收集器必須首先提供自身工作所需的電流，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率。

能量收集換能器和IC

一個熱電器件的核心組件是熱電耦，它由一個n型半導體和一個p型半導體組成，兩個半導體靠一塊金屬板連接。p型和n型材料另一端加上電氣連接，以形成一個完整的電子電路。當熱電耦經受熱量變化時，就產生熱電發(fā)生 (TEG) 現(xiàn)象，在這種情況下，熱電發(fā)生器產生電壓，并引起電流流動，從而按照稱為席貝克效應 (Seeback Effect) 的定律，將熱量轉換成電功率。然后，將大量熱電耦串聯(lián)連接，形成一個熱電模塊。如果熱量在這個模塊的上部和下部之間流動，那么就會產生電壓和電流流動。

在典型的飛機引擎情況下，其溫度可能在幾百 攝氏度 到一千攝氏度甚至 兩千攝氏度的范圍內變化。盡管這種能量大多數(shù)都以機械能 (燃燒和發(fā)動機推力) 的形式損失了，但仍有一部分是純粹以熱量形式消耗的。既然席貝克效應是將熱量轉換成電功率的根本熱力學現(xiàn)象，那么考慮的主要方程是：

P=ηQ

其中P是電功率，Q是熱量，η是效率。

較大的熱電發(fā)生器使用更多的熱量 (Q) ，產生更多的功率 (P)。類似地，使用數(shù)量為兩倍的功率轉換器可以獲取兩倍的熱量，產生兩倍的功率。較大的熱電發(fā)生器通過串聯(lián)更多的 P-N 節(jié)形成，不過，盡管這樣可以在溫度變化時產生更大的電壓 (mV/dT)，但是也增大了熱電發(fā)生器的串聯(lián)電阻。這種串聯(lián)電阻增大限制了可提供給負載的功率。因此，視應用需求的不同而不同，有時使用較小的并聯(lián)熱電發(fā)生器，有時使用較大的熱電發(fā)生器。不管選擇哪一種熱電發(fā)生器，都有很多廠商提供商用的產品，其中包括 Tellurex公司。

通過給某個元件施加應力可產生壓電性，這反過來將產生一個電勢。壓電效應是可逆的，因為呈現(xiàn)正壓電效應 (在施加應力時將產生一個電勢) 的材料同時也表現(xiàn)出逆壓電效應 (當施加一個電場時將產生應力/應變)。

為了優(yōu)化壓力換能器，需要確定源的振動頻率和位移特性。一旦這些值確定了，那么壓電換能器制造商就可以設計一個從機械上調諧到特定振動頻率的壓電換能器，并調整該壓電換能器的大小，以提供必需的功率。壓電材料的振動激活正壓電效應，在該器件的輸出電容上引起電荷積累。積累的電荷通常相當少，因此 AC 開路電壓很高，在很多情況下處于 200V 量級。既然每次偏離產生的電荷量相對較少，那么有必要對這個 AC 信號進行全波整流，并在一個輸入電容器上逐周期積累電荷。仍然有很多廠商提供多種商用壓電換能器，其中包括 AmbioSystems、MIDE Technology 公司和 Advanced Cerametrics公司。

不過，迄今為止一直缺少的是，既能從熱源又能從壓電源收集和管理能量、高度集成、高效率 的DC/DC 轉換器解決方案。凌力爾特公司革命性的 LTC3108 和 LTC3588-1 將極大地簡化從各種來源收集剩余能量的任務。

最近推出的 LTC3108 是一種超低電壓升壓型轉換器和電源管理器，專為簡化收集和管理剩余能量的任務而設計，這些剩余能量來自熱電堆、熱電發(fā)生器 (TEG) 甚至小型太陽能電池板等極低輸入電壓源。其升壓型拓撲可用低至 20mV 的輸入電壓工作。這具有重要意義，因為它允許 LTC3108 在溫差低至 1℃時從熱電發(fā)生器收集能量，而分立式解決方案由于大靜態(tài)電流，不太容易做到這一點。

圖 2 所示電路采用一個小型升壓型變壓器來提高至 LTC3108 的輸入電壓源的電壓，然后 LTC3108 再為無線檢測和數(shù)據(jù)采集提供一個完整的電源管理解決方案。它能在小溫差時收集能量，并產生系統(tǒng)電源，從而無須使用傳統(tǒng)的電池電源。[!--empirenews.page--]

圖2 LTC3108用于無線遠端傳感器應用,該應用由熱電發(fā)生器供電(Peltier Cell)

LTC3108用一個耗盡型 N 溝道 MOSFET 開關形成升壓型諧振振蕩器，該振蕩器使用一個外部升壓型變壓器和一個小型耦合電容器。這允許該器件將低至 20mV 的輸入電壓升高到足夠高，以提供多個穩(wěn)定輸出電壓，以給其它電路供電。振蕩頻率主要由變壓器次級繞組的電感和 LTC3108 的輸入電容決定，一般在 20kHz至200kHz的范圍內。

就低至 20mV 的輸入電壓而言，推薦約為 1:100 的初-次級匝數(shù)比。就更高的輸入電壓而言，可以采用較低的匝數(shù)比，因為這將提供更大的輸出功率。這些變壓器是標準的組件，可以非常方便地從磁性組件供應商那里得到。凌力爾特公司的復合耗盡型 N 溝道 MOSFET 是 20mV 工作得以實現(xiàn)的關鍵因素。

如圖 3 所示，LTC3108 采用一種“系統(tǒng)級”方法來解決一個復雜問題。它可以轉換低壓源，并管理多個輸出之間的能量。

圖3 LTC3108 方框圖

利用一個外部充電泵電容器 (從次級繞組到引腳 C1) 和 LTC3108 內置的整流器來升高變壓器次級繞組上產生的 AC 電壓并對其整流。整流器電路將電流饋送進 VAUX 引腳，向外部 VAUX 電容器提供電荷，然后向其它輸出。

內部 2.2V LDO 可以支持一個低功率處理器或其它低功率 IC。該 LDO 由VAUX 或 VOUT中電壓值更高的一個供電。這使它能夠在 VAUX一充電至 2.3V 時就工作，同時VOUT存儲電容器仍然在充電。倘若 LDO輸出出現(xiàn)階躍負載， VAUX降至低于VOUT，電流就可以來自主 VOUT電容器。LDO輸出可以提供高達 3mA 的電流。

VOUT上的主輸出電壓靠 VAUX 電源充電，是用戶可編程的，可用電壓選擇引腳 VS1 和 VS2 編程設定為 4 個穩(wěn)定電壓之一。4 個固定輸出電壓是：用于超級電容器的 2.35V、用于標準電容器和 RF 或傳感器電路的 3.3V、用于鋰離子電池終止的 4.1V以及用于更高能量存儲和主系統(tǒng)軌以給無線發(fā)送器或傳感器供電的 5V，從而無須多兆歐外部電阻器。結果，LTC3108 不需要特殊的電路板涂層以最大限度地減少泄漏，而分立式設計不僅需要特殊的電路板涂層，還需要電阻值非常大的電阻器。

第二個輸出 VOUT2可以由主微處理器利用 VOUT2_EN引腳接通或斷開。啟動工作后，VOUT2 通過一個 P 溝道 MOSFET 開關連接到 VOUT。這個輸出可以用來給外部電路供電，如沒有低功率休眠或停機功能的傳感器或放大器。這種應用的一個例子是，給建筑物自動調溫器內檢測電路組成部分的 MOSFET 供電，使其接通和斷開。

VSTORE 電容器的值也許非常大 (數(shù)千微法甚至數(shù)法拉)，以在失去輸入電源時提供延遲。一旦加電完成，主、備份和開關輸出就都可用了。如果輸入電源出故障，那么仍可繼續(xù)運行，這時靠 VSTORE 電容器運行。在 VOUT 達到穩(wěn)定狀態(tài)以后，VSTORE 輸出可以用來給一個大的存儲電容器或可再充電電池充電。一旦 VOUT 達到穩(wěn)定狀態(tài)，那么就允許 VSTORE 輸出充電至高達 VAUX 電壓，該電壓箝位在 5.3V。VSTORE 上的存儲組件不僅可在失去輸入源時用來給系統(tǒng)供電，而且還可在輸入源能量不充足時用來補充 VOUT、VOUT2 和 LDO 輸出需要的電流。[!--empirenews.page--]

一個電源良好比較器監(jiān)視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其穩(wěn)定電壓的 7% 范圍內，PGOOD 輸出就會變高。如果 VOUT 從其穩(wěn)定電壓下降超過 9%，PGOOD 將會變低。PGOOD 輸出設計成驅動一個微處理器或其它芯片 I/O，而不驅動 LED 等較高電流的負載。

圖 4 所示電路利用一個小的壓電換能器將機械振動轉換成一個 AC 電壓源，該電壓源饋送進 LTC3588-1 的內部橋式整流器。它可以從小的振動源收集能量，并產生系統(tǒng)電源，而無需使用傳統(tǒng)的電池電源。


圖4 將振動或壓力源轉換成電流的LTC3588-1的電路原理圖

表1：熱源、電壓源兩種方法優(yōu)缺點比較


LTC3588-1 是一種超低靜態(tài)電流電源，專門為能量收集/低電流降壓型應用而設計。它可以直接連接到一個壓電或可供替代的 AC 電源，對電壓波形整流并在一個外部電容器中存儲收集的能量，通過一個內部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率，并通過亳微功率高效率降壓型穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。

LTC3588-1 的內部全波橋式整流器可通過兩個差分輸入 PZ1 和 PZ2 接入，對 AC 輸入整流。整流后的輸出再存儲到 VIN 引腳處的電容器上，并可用作降壓型轉換器的能量庫。在典型的壓電產生電流的情況下，低通橋式整流器具有大約 400mV 的總壓降，壓電產生的電流通常為 10µA 左右。這種橋能夠攜帶高達 50mA 的電流。一旦在 VIN 上有充足的電壓，就啟動降壓型穩(wěn)壓器，以產生一個穩(wěn)定輸出。

降壓型穩(wěn)壓器采用遲滯電壓算法，以通過來自 VOUT 檢測引腳的內部反饋控制輸出。降壓型轉換器通過電感器將一個輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點的值。它通過以下方法做到這一點：通過一個內部PMOS開關使電感器電流斜坡上升至260mA，然后再通過一個內部NMOS 開關使其斜坡下降至0mA，因此可高效率地向輸出電容器提供能量。它提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法降低了與 FET 切換有關的損耗，并在輕負載時保持輸出。降壓型轉換器在它切換時提供最小100mA 的平均負載電流。

結論

就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權衡問題。表1總結了這兩種方法的優(yōu)缺點。

由于全世界都缺乏模擬開關模式電源設計專長，設計一個有效的能量收集系統(tǒng)一直都很難，如圖 1 所示。不過，隨著 LTC3108 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況將為之改觀。這些器件幾乎可以從任何熱源或機械振動源抽取能量，而熱源和機械振動源在飛機環(huán)境中是常見的。此外，這些器件具有全面的功能并易于設計，因此它們極大地簡化了能量收集鏈中難以實現(xiàn)的電源轉換設計。對于飛機狀況監(jiān)視系統(tǒng)設計師來說，這是個好消息，因為這些器件具有高集成度，包括電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件，就形成完整能量收集鏈而言，這使它們成為最小、最簡單和最易于使用的可用解決方案。