小型光伏電池在能量收集中的應(yīng)用

      超低功率解決方案可用于眾多的無線系統(tǒng)，包括交通運(yùn)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(shí)間里都處于待機(jī)睡眠模式，僅需極低的μW級功率。當(dāng)被喚醒時(shí)，傳感器將測量諸如壓力、溫度或機(jī)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(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。整個(gè)測量、處理和傳送時(shí)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(jìn)行再充電，最終還得更換。在許多此類應(yīng)用中，實(shí)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。

　　新興的毫微功率無線傳感器應(yīng)用

　　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(gè)機(jī)械或能量收集系統(tǒng)。除了可以免除首先進(jìn)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(hù)成本。

　　類似地，運(yùn)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(shí)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(diǎn)由4個(gè)模塊組成(見圖1)。它們是：1、一個(gè)環(huán)境能量源，比如：太陽能電池；2、一個(gè)用于給節(jié)點(diǎn)的其余部分供電的功率轉(zhuǎn)換組件；3、一個(gè)將節(jié)點(diǎn)鏈接到現(xiàn)實(shí)世界的感測組件以及一個(gè)計(jì)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)；4、一個(gè)由短程無線單元組成的通信組件，用于實(shí)現(xiàn)與相鄰節(jié)點(diǎn)及外部世界的無線通信。

　　環(huán)境能量源的實(shí)例包括連接到某個(gè)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(gè)機(jī)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(jī)械振動或應(yīng)變時(shí)，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(dá)100μW的電功率。

　　一旦電能產(chǎn)生出來，就可以由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換并調(diào)整為合適的形式，用于給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數(shù)或測量值，然后讀數(shù)或測量值可利用一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器加以處理，以通過一個(gè)超低功率無線收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

　　該鏈路中的每個(gè)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(shí)間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實(shí)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(shí)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(gè)或更多的組件。此類設(shè)計(jì)具有低轉(zhuǎn)換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)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(shí)間，這反過來又將延長從獲取一個(gè)傳感器讀數(shù)至傳輸該數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)實(shí)現(xiàn)低靜態(tài)電流運(yùn)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。

　　能量收集的個(gè)案分析

　　我們以一個(gè)基于能量收集的工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)為例進(jìn)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jìn)行一次測量并報(bào)告測量結(jié)果。由于輸油管線長達(dá)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(hù)，有可能需要進(jìn)行代價(jià)高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項(xiàng)很花錢的工作，這是因?yàn)殡姵氐臄?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(shí)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(gè)與諸如電池或超級電容器等儲能元件協(xié)同運(yùn)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。

　　能量收集IC

　　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(jì)。該器件的同步升壓型設(shè)計(jì)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(gè)集成的最大功率點(diǎn)控制器(MPPC)使得能夠直接從高阻抗電源(比如光伏電池)來運(yùn)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(jìn)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(gè)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(shí)持續(xù)充電，而反過來，當(dāng)太陽能電源不再可用時(shí)，電池也能夠利用儲存的能量來為某個(gè)應(yīng)用電路(例如：一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn))供電。

圖2 采用LTC3105從單個(gè)光伏電池給單節(jié)鋰離子電池充電

　　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)VAUX達(dá)到約1.4V時(shí)，轉(zhuǎn)換器將退出啟動模式并進(jìn)入正常操作狀態(tài)。在啟動期間未啟用最大功率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)啟動。當(dāng)轉(zhuǎn)換器處于啟動模式時(shí)，位于AUX和VOUT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(shí)例請參閱圖3。

圖3  LTC3105典型啟動序列

　　當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓和>1.2V時(shí)，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(dá)到峰值電流限值為止。一旦達(dá)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)VOUT達(dá)到穩(wěn)壓點(diǎn)時(shí)，連接至SW引腳的N溝道和P溝道MOSFET被停用，轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入睡眠模式。

　　為了給微控制器和外部傳感器供電，一個(gè)集成的LDO提供了一個(gè)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(diǎn)。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。

　　本文小結(jié)

　　電源管理是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線檢測的關(guān)鍵一面。不過，電源管理的實(shí)現(xiàn)必須從設(shè)計(jì)理念開始就是正確的。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)。板載最大功率點(diǎn)控制對于在各種條件下從眾多能量源所提取的能量進(jìn)行了優(yōu)化。