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创新能量采集技术
精小太阳能电池板应用

【作者: Bruce Haug】2018年01月02日 星期二

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我们的周围到处都是能量,它们以热、光、电流甚至机电能的形式存在。不过,人们常常发现,这些能源提供的能量太少了,无法为任何实际用途连续提供充足的功率。实际上,直到不久前,除了太阳能和地热能,一直无法从其他形式的能源中获得充足的能量来执行任何有用的功能。


能量采集是从一种或多种这类自然存在的能源采集微量能量,然後再把采集到的能量累积或储存起来以备之後使用的过程。能量采集设备可以高效获得、累积、储存、调节和管理环境能量,而且所用调节方式适合将这类能量用於执行有用的功能。


最近的技术进步已经提高了设备从自然环境中获得微量能量并将其转换成电能的效率。此外,转换器技术的进步不仅提高了电源转换效率,还降低了转换器的内部功耗需求,这些进步已经激发起工程界的兴趣,促使他们开发更多利用能量采集技术的应用。


从部署的远端应用且从根本上不可能耗尽的自然环境中采集能量(自然能源),日益成为一种引人注意以替代有线电源或电池的供电方式。自然能源从本质上来说是免费能源,如果得到妥善的利用,不仅无需维护,且通常可在很多应用的工作寿命中保持可用。


另外,能量采集可以用作辅助能源以补充如电池等主电源,这大幅延长了电池寿命,从而降低维护费用。


能量采集应用

现在有很多应用将能量采集电源作为主电源使用。例如,无线感测器网路(WSN)常常受益於能量采集电源。如果一个无线节点部署在偏远地点,有线电源或电池或者不够可靠或者不可用,那麽就可透过采集的能量提供节点运行所需功率。在其他一些情况下,多种能源可用来提高设定系统的整体效率和可靠性。


一些较常见的可采集能量,包括


1. 机械能:来自振动、机械压力和应变力;


2. 热能:炉子、加热器、马达和摩擦运动等浪费的能量;


3. 透过光电二极体或太阳能电池从太阳光或室内照明中获得的光能;


4. 来自电感器、线圈和变压器的电磁能;


5. 来自风、水流、洋流、电流和太阳等自然环境中的能量;


6. 透过运动等产生机械能和热能的人体能量,以及来自化学和生物源的其他能量。


值得一提的是,所有这些能源几??都不受限制,且本质上是免费的,只要在系统部署位置或靠近系统部署位置能够获得就行。


典型的能量采集系统需要诸如振动、热量或光等能源以及一些关键电子元件,包括能量转换设备(换能器),例如压电元件或太阳能电池板,可将环境能源转换成电能;能量采集转换IC以获得、储存和管理电能;感测器、微控制器和收发器,作为WSN的组成部分以读取、记录和传送资料;可选的补充性能量存放装置,例如薄膜型主电池或超级电容器。



图1 :  电源转换设备需要有很高的效率和很低的静态电流,如此大部分采集的能量才能用於给感测器网路或控制电路供电,或者用来监视设备。
图1 : 电源转换设备需要有很高的效率和很低的静态电流,如此大部分采集的能量才能用於给感测器网路或控制电路供电,或者用来监视设备。

很重要的一点是,电源转换设备需要有很高的效率和很低的静态电流,如此大部分采集的能量才能用於给感测器网路或控制电路供电,或者用来监视设备。此外,必须了解可采集能源能够提供多大的平均功率,以及为特定设备供电需要多少能量(工作周期)。


能量采集 IC 解决方案

对於能量采集元件的采用,必须考虑采用高度整合、超低电压升降压DC/DC转换器,同时还具备为多种输入能源和低功率系统而优化的自动电源通路(PowerPath)管理功能。如果主电源不可用,那麽此转换器必须无缝式地切换到备份电源,且与可再充电电池或主电池相容,无论何时,只要有剩馀能量可用,就可以为备份电池涓流充电。如果使用的输入能源是光源,那麽可选最大功率点控制功能确保在电源和负载之间的功率传送是优化。


目前电源通路(PowerPath)控制架构是较好的选择,此一架构允许使用单个电感器,通过在两个电源输入之间无缝转换,产生用户可选和固定的稳定输出电压。如果输入电源(VIN)可用,升降压稳压器就用VIN工作,向负载提供高达300mA的电流。如果VIN不可用,那麽稳压器就选择将VSTORE/VCAP作为其输入,向负载提供高达50mA的电流。


如果用可再充电电池作为备份电源,那麽还提供小电流再充电电源通路,从而允许在输出电压处於稳定状态时,用多馀的输入能量为备份电源充电。用户可选的较高和较低充电/放电门槛适用於多种电池化学组成,可针对过度充电/深度放电保护电池。当主电池用作备份电源时,充电可以从外部用PRI禁止在没有备份电源时,主输入电压VIN可配置为在850mV至5.1V电压范围内工作,有备份电源时(例如主电池)则配置为在330mV至5.1V范围内工作。这个范围适合多种类型电源,包括高阻抗电源(例如小型太阳能电池板)。为了确保获得最大功率,能量采集元件最好能整合准确的RUN接脚和可选最大功率点函数,二者均可用来控制稳压器导通点,使其位於输入电源的最大功率点上。对於较高功率的输入电源而言,准确的RUN接脚函数非常适合用来将可预测的稳压器导通点设定到特定输入电压上。


万一由可采集能量提供的输入电压消失了,那麽主电池或辅助电池可从VSTORE连接至GND,以给系统供电。在电池是可再充电的情况下,将从这个接脚获得为电池涓流充电的电流,直至达到最高可选电压。


设计实例

在仅由电池供电的传统型无线网路节点中,主控制单元(MCU)直接连接到电池。在这类应用中,有几种因素导致电池容量减小,一般而言,这类无线系统以非常低的频率轮询节点,待用周期功率非常低,偶尔需要与该节点通讯时会有一些大电流突发。有脉冲负载时,峰值电流可能远远大於电池制造商给出的标称漏电流,从而使电池容量减小到超出在典型静态漏电流情况下所规定的值,此外,就大多数MCU(典型最小值为 2V)而言,可用输入电压限制了可用电池容量。


结论


图2 :  即使有些能量采集电源仅提供很低的可用功率 (如名片大小的太阳能电池),但是他们足以给大多数无线感测器供电。
图2 : 即使有些能量采集电源仅提供很低的可用功率 (如名片大小的太阳能电池),但是他们足以给大多数无线感测器供电。

即使有些能量采集电源仅提供很低的可用功率(如本文所示名片大小的太阳能电池设计实例),但是他们足以给大多数无线感测器供电。LTC3106升降压DC/DC转换器为低功率系统中常见的多种输入电源而优化,为多种能量采集应用提供必要的功能。因此,诸如WSN 等能量采集系统设计者现在有了实用和恰当的电源转换IC,便可大幅简化设计任务。


(本文作者为凌力尔特电源产品部高级产品市场工程师)


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