能量收集和物聯網發展的轉折點即將到來

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隸屬于IoT領域、同時從能量收集的角度來看也是值得期待的新興應用市場之一是可穿戴式電子產品。盡管其尚處在起步階段，但該市場已經包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡等產品。然而，一種業已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。

據上海羿歌所認識，移動電源應用領域寬泛而多樣。產品涵蓋了從平均功耗僅幾μW的無線傳感器節點(WSN)到采用好幾百瓦時電池組的車載醫療或數據采集系統等眾多門類。然而，盡管品種繁多，但它們卻呈現出一些相對一致的發展趨勢；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“物聯網”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值得期待的新興應用市場之一是可穿戴式電子產品。盡管其尚處在起步階段，但該市場已經包括了諸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼鏡等產品。然而，一種業已獲得很高期望的特殊形式則是腕表。

電源轉換挑戰

低功率應用是指擁有毫微功率轉換要求的應用，比如WSN中常見的能量收集系統等，其必需采用負責處理極低功率和電流的電源轉換IC。這可以分別是數量級為幾十μW的功率和nA級的電流。

最先進和現有的能量收集(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經驗可以說明，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電池類似。而且，采用EH的系統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所做不到的。盡管如此，大多數解決方案還是將某種環境能量源作為主電源，但把一個主電池作備用，當環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工作狀態的時間。因此，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較低的、變化的和不可預測的可用功率，因而設計者通常采用了一種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 (甚至有可能是超級電容)。由于收集器可提供無限的能量供應和功率不足而成為系統能源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容)可產生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在有需要時供電，其他情況下則定期從收集器接收電荷。所以，在沒有可供收集的環境能量時，必須采用輔助電能儲存器來給下游電子系統或 WSN供電。當然，從系統設計人員的角度而言這將導致復雜程度的進一步增加，因為他們現在必須考慮這樣一個問題：“為了應對環境能量源缺乏的情況而提供補償，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的電源轉換IC，其可實現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 帶光耦合器和分流調節器的反激式調節器框圖

LTC3331是一款完整的調節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，可為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的連續輸出電流，可使用多種輸入電源，包括單節或多節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的可穿戴式應用將具有用于實現其正確運作的眾多功率級 (從μW至1W以上)，但可供系統設計人員選擇的電源轉換IC也有很多。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網發展的轉折點。