緊湊型太陽能電池板利用創(chuàng)新性能量收集技術(shù)

背景信息

我們周圍到處都是能量，它們以熱、光、電流甚至機(jī)電能的形式存在。不過，人們常常發(fā)現(xiàn)，這些能源提供的能量太少了，無法為任何實(shí)際用途連續(xù)提供充足的功率。實(shí)際上，直到不久前，除了太陽能和地?zé)崮?/strong>，一直無法從其他形式的能源中獲得充足的能量來執(zhí)行任何有用的功能。能量收集是從一種或多種這類自然存在的能源收集微量能量、然后再把收集到的能量累積或存儲(chǔ)起來以備之后使用的過程。能量收集設(shè)備可以高效獲得、累積、存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)和管理環(huán)境能量，而且所用調(diào)節(jié)方式適合將這類能量用于執(zhí)行有用的功能。

最近的技術(shù)進(jìn)步已經(jīng)提高了設(shè)備從自然環(huán)境中獲得微量能量并將其轉(zhuǎn)換成電能的效率。此外，轉(zhuǎn)換器技術(shù)的進(jìn)步不僅提高了電源轉(zhuǎn)換效率，還降低了轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部功耗需求。這些進(jìn)步已經(jīng)激發(fā)起工程界的興趣，促使他們開發(fā)更多利用能量收集技術(shù)的應(yīng)用。

從部署了遠(yuǎn)程應(yīng)用且自然能源從根本上不可能耗盡的環(huán)境中收集能量，日益成為一種引人注意以替代有線電源或電池的供電方式。自然能源從本質(zhì)上來說是免費(fèi)能源，如果得到恰當(dāng)利用，可以無需維護(hù)，且通常在很多應(yīng)用的工作壽命中始終可用。

另外，能量收集可以用作輔助能源以補(bǔ)充如電池等主電源，這極大地延長(zhǎng)了電池壽命，從而降低維護(hù)費(fèi)用。

能量收集應(yīng)用

現(xiàn)在有很多應(yīng)用將能量收集電源作為主電源使用。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN) 常常受益于能量收集電源。如果一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)部署在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)，有線電源或電池或者不夠可靠或者不可用，那么就可用收集的能量提供節(jié)點(diǎn)運(yùn)行所需功率。在其他一些情況下，多種能源可用來提高給定系統(tǒng)的總體效率和可靠性。

一些較常見的可收集能量包括

· 機(jī)械能 – 來自振動(dòng)、機(jī)械壓力和應(yīng)變力

· 熱能 – 爐子、加熱器、馬達(dá)和摩擦運(yùn)動(dòng)等浪費(fèi)的能量

· 光能 – 通過光電二極管或太陽能電池從太陽光或室內(nèi)照明中獲得的能量

· 電磁能 – 來自電感器、線圈和變壓器

· 自然環(huán)境中的能量 – 來自風(fēng)、水流、洋流、電流和太陽

· 人體能量 – 通過運(yùn)動(dòng)等產(chǎn)生的機(jī)械能和熱能

· 其他能量 – 來自化學(xué)和生物源

需要提到的重要一點(diǎn)是，所有這些能源幾乎都不受限制，且本質(zhì)上是免費(fèi)的，只要在系統(tǒng)部署位置或靠近系統(tǒng)部署位置能夠獲得就行。

典型的能量收集系統(tǒng)需要諸如振動(dòng)、熱量或光等能源以及一些關(guān)鍵電子組件，包括

· 能量轉(zhuǎn)換設(shè)備 (換能器)，例如壓電組件或太陽能電池板，可將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電能

· 能量收集轉(zhuǎn)換 IC 以獲得、存儲(chǔ)和管理電能

· 傳感器、微控制器和收發(fā)器，作為 WSN 的組成部分以讀取、記錄和傳送數(shù)據(jù)

· 可選的補(bǔ)充性能量存儲(chǔ)設(shè)備，例如薄膜型主電池或超級(jí)電容器

很重要的一點(diǎn)是，電源轉(zhuǎn)換設(shè)備需要有很高的效率和很低的靜態(tài)電流，這樣大部分收集的能量才能用于給傳感器網(wǎng)絡(luò)或控制電路供電，或者用來監(jiān)視設(shè)備。此外，必須了解可收集能源能夠提供多大的平均功率，以及給特定設(shè)備供電需要多少能量 (工作占空比)。

能量收集 IC 解決方案

幸運(yùn)的是，為了處理、存儲(chǔ)和使用收集的能量，凌力爾特提供了幾款能量收集器件。LTC3106 是其中之一，這是一款高集成度、超低電壓降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具備為多種輸入能源和低功率系統(tǒng)而優(yōu)化的自動(dòng)電源通路(PowerPath) 管理功能。如果主電源不可用，那么 LTC3106 就無縫地切換到備份電源，且與可再充電電池或主電池兼容，無論何時(shí)，只要有剩余能量可用，就可以給備份電池涓流充電。如果使用的輸入能源是光源，那么可選最大功率點(diǎn)控制功能確保在電源和負(fù)載之間的功率傳送是優(yōu)化的。在無負(fù)載時(shí)，LTC3106僅消耗 1.6μA 電流，同時(shí)從任何輸入能源產(chǎn)生高達(dá) 5V 的輸出電壓。圖 1 顯示了一個(gè)典型的原理圖。

圖 1LTC3106 采用太陽能電池板或主電池為下游負(fù)載連續(xù)供電

LTC3106 采用電源通路 (PowerPath?) 控制架構(gòu)，允許使用單個(gè)電感器，通過在兩個(gè)電源輸入之間無縫轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生用戶可選和固定的穩(wěn)定輸出電壓。如果輸入電源 (VIN) 可用，降壓-升壓型穩(wěn)壓器就用 VIN 工作，向負(fù)載提供高達(dá) 300mA 的電流。如果 VIN 不可用，那么穩(wěn)壓器就選擇將 VSTORE/VCAP 作 為其輸入，向負(fù)載提供高達(dá) 50mA 的電流。如果用可再充電電池作為備份電源，那么還提供小電流再充電電源通路，從而允許在輸出電壓處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，用多余的輸入能量給備份電源充電。用戶可選的較高和較低充電 / 放電門限適用于多種電池化學(xué)組成，可針對(duì)過度充電 / 深度放電保護(hù)電池。當(dāng)主電池用作備份電源時(shí)，充電可以從外部用 PRI 禁止

在沒有備份電源時(shí)，主輸入電壓 VIN 可配置為在 850mV 至 5.1V 電壓范圍內(nèi)工作，有備份電源時(shí) (例如主電池) 則配置為在 330mV 至 5.1V 范圍內(nèi)工作。這樣的范圍適合多種類型的電源，包括高阻抗電源 (例如小型太陽能電池板)。為了確保獲得最大功率，LTC3106 集成了一個(gè)準(zhǔn)確的 RUN 引腳和可選最大功率點(diǎn)函數(shù)。二者均可用來控制穩(wěn)壓器接通點(diǎn)，使其位于輸入電源的最大功率點(diǎn)上。對(duì)于較高功率的輸入電源而言，準(zhǔn)確的 RUN 引腳函數(shù)非常適合用來將可預(yù)測(cè)的穩(wěn)壓器接通點(diǎn)設(shè)定到特定輸入電壓上。

萬一由可收集能量提供的輸入電壓消失了，那么主電池或輔助電池可從 VSTORE連接至 GND，以給系統(tǒng)供電。在電池是可再充電的情況下，將從這個(gè)引腳獲得給電池涓流充電的電流，直至達(dá)到最高可選電壓。

LTC3106 可用兩個(gè)輸入電壓源之一啟動(dòng)，但給 VIN 優(yōu)先級(jí)。AUX 輸出最初是在同步整流器被禁止的情況下充電的。一旦 VAUX 達(dá)到最終電壓，輸出電壓也開始異步充電，直至 VOUT 達(dá)到約 1.2V。然后，轉(zhuǎn)換器退出異步模式，以支持更高效的同步啟動(dòng)模式，直至 VOUT 處于穩(wěn)定狀態(tài)，器件進(jìn)入正常工作模式為止。VAUX 充電時(shí)輸出電壓上升是正常的。主輸出電壓是用戶設(shè)定的，可設(shè)定為 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 這 4 個(gè)預(yù)置穩(wěn)定電壓之一。

設(shè)計(jì)實(shí)例

在僅由電池供電的傳統(tǒng)型無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中，主控制單元 (MCU) 直接連接到電池。在這類應(yīng)用中，有幾種因素導(dǎo)致電池容量減小。一般而言，這類無線系統(tǒng)以非常低的頻率輪詢節(jié)點(diǎn)，待用周期功率非常低，偶爾需要與該節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，會(huì)有一些大電流突發(fā)。有脈沖負(fù)載時(shí)，峰值電流可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電池制造商給出的標(biāo)稱漏電流，從而使電池容量減小到超出在典型靜態(tài)漏電流情況下所規(guī)定的值。此外，就大多數(shù) MCU (典型最小值為 2V) 而言，可用輸入電壓限制了可用電池容量。

圖 2 所示應(yīng)用電路顯示了與 AM-1816 太陽能電池板連接的 LTC3106，其總體尺寸為 9.8cm x 5.7cm (胸卡大小)，CR2032 主電池起補(bǔ)充作用，該應(yīng)用電路配置為向脈沖負(fù)載輸出供電。盡管能量收集系統(tǒng)可能無需電池，但是他可以起到補(bǔ)充作用，而且電池壽命可以得到延長(zhǎng)。當(dāng)有充足的環(huán)境能源可用時(shí)，就不給電池加載，僅當(dāng)環(huán)境能源不足以帶動(dòng)負(fù)載時(shí)，才使用電池。這不僅延長(zhǎng)了電池壽命，也通過延長(zhǎng)電池壽命提高了可靠性，同時(shí)還降低了維護(hù)成本。

圖 2配置為太陽能收集器、具主電池備份電源、給無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電的 LTC3106

LTC3106 的主輸入電壓 (VIN) 在很寬的電壓范圍內(nèi)滿足高阻抗太陽能電池需求。太陽能電池按照其輸出功率、所用材料 (晶體硅、無定形硅、化合物半導(dǎo)體等) 和應(yīng)用環(huán)境 (室內(nèi)或室外照明) 分類。三洋電機(jī)的 Amorton 產(chǎn)品線 (松下一個(gè)子公司的產(chǎn)品) 提供了多種太陽能電池，以滿足各種照明條件 (參見表 1，了解典型照明條件)、功率大小以及針對(duì)特定應(yīng)用的尺寸和形狀定制電池的要求。

表 1典型照明條件

表 2 列出了適合與 LTC3106 一起使用的其他小型太陽能電池 (也稱為模塊或太陽能電池板) 之生產(chǎn)公司。

表 2與 LTC3106 兼容的光伏板制造商

AM-1816 板的 I-V 和 P-V 曲線如圖 3 所示。電池的最大功率 (PMAX) 隨光照強(qiáng)度變化而改變，但是 PMAX 點(diǎn)上的電壓僅有輕微變化。在這個(gè)應(yīng)用實(shí)例中，VIN 門限電壓用 RUN 引腳上的電阻分壓器設(shè)定為等于 PMAX 點(diǎn)上的電壓。輸入電壓上升的 UVLO 門限 VIN(OV) 設(shè)定點(diǎn)選定為 4.2V。由于內(nèi)部遲滯，那么 VIN(UV) 為 3.8V，因此從制造商提供有關(guān) AM-1816 太陽能電池的 I-V 和 P-V 數(shù)據(jù)看，最大功率點(diǎn)上的平均 VIN 電壓約為 4V。

圖 3在可變光照情況下測(cè)得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲線

就這個(gè)應(yīng)用而言，負(fù)載是低功率 RF 設(shè)備，其負(fù)載曲線如圖 4 所示。工作區(qū)、輸出和功耗如表 3 所示，表中還列出了每個(gè)所確定的峰值電流。

圖 4圖 2 原理圖的應(yīng)用負(fù)載曲線

表 3圖 2 原理圖的應(yīng)用負(fù)載曲線功率預(yù)算

上述負(fù)載曲線的 LTC3106 總平均功耗為 37?W。電阻器分壓器負(fù)載額外增加了 5?W 輸入功耗，總的輸入功率需求為 207?W。計(jì)算得出的平均效率 (包括電阻分壓器在內(nèi)) η = 165?W/207?W = 80%。200 流明時(shí) AM-1816 的可用功率約為 400?W。憑借約為 80% 的轉(zhuǎn)換器效率，這 400?W 給總共 207?W 的平均負(fù)載供電并有一定的裕度，無需從電池吸取電流。如果光照條件變得不那么有利，那么可用輸入功率也許降至低于保持輸出電壓所需的值。這時(shí)，LTC3106 會(huì)以“打嗝”模式工作，在 VIN 升至高于 4.2V 時(shí)接通，降至低于 3.8V 時(shí)斷開。當(dāng) VIN 斷開時(shí)，就用 VSTORE (主電池) 供電，直至 VIN 恢復(fù)并升至高于 4.2V 門限為止。如果光照條件變得更加有利，VIN 會(huì)升至能量收集電源的開路電壓，并再次提供所有負(fù)載功率。

結(jié)論

即使有些能量收集電源僅提供很低的可用功率 (如本文所示胸卡大小的太陽能電池設(shè)計(jì)實(shí)例)，但是他們足以給大多數(shù)無線傳感器供電。LTC3106 降壓-升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器為低功率系統(tǒng)中常見的多種輸入電源而優(yōu)化，為多種能量收集應(yīng)用提供必要的功能。因此，諸如 WSN 等能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在有了有用和恰當(dāng)?shù)碾娫崔D(zhuǎn)換 IC，可極大地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)任務(wù)了。