利用环境产生电能 创造无电池无线传感器
发布时间：2010-7-15 15:59
发布者：李宽
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低功率技术领域的进步使得在多种应用中建立无线传感器网络变得更加容易，如远端取样、HVAC 监视、资产跟踪和工业自动化应用。问题是，甚至无线传感器也需要定期更换的电池，而这是一项昂贵和复杂的维护任务。一种较好的无线电源解决方案是从传感器所在环境收集机械、热或电磁能。 一般情况下，可收集的环境能量在数十 mW，因此能量收集需要仔细的功率管理，以成功获取数 mW 的环境能量，并将其存储在一个可使用的能量库中。一种常见的环境能源是机械振动能，这种能量由工厂中运行的发动机、风扇叶片上的气流、甚至行驶的车辆产生。压电换能器可用来将这种振动能转换成电能，电能再用来给电路供电。 为了管理能量收集和能量向系统的释放，LTC3588-1 压电能量收集电源 (图 1) 集成了一个低损耗内部桥式整流器和一个同步降压型 DC/DC 转换器。该装置运用一种高效的能量收集算法以收集和存储来自高阻抗压电元件的能量，这些压电元件可能具有大约几十mA 的短路电流。 能量收集系统常常必须支持比压电器件能产生的电流高得多的峰值负载电流，因此 LTC3588-1 能够积累能量，然后再以短的能量突发向负载释放能量。当然，就连续运行而言，这类突发能量必须以低占空比提供，以便在突发期间总的输出能量不超过在能量积累周期中所累积的平均电源能量。一个以固定时间间隔进行测量、并在两次测量之间发送数据并断电的传感器系统是能量收集解决方案的首选。 能量收集的关键是低静态电流 能量收集过程依赖低静态电流能量积累阶段。LTC3588-1 通过欠压闭锁 (UVLO) 模式来实现，该模式具有宽的迟滞窗口，吸取不到 1mA 的静态电流。UVLO 模式允许在一个输入电容器上积累电荷，直到内部降压型转换器能够高效率地将部分存储的电荷传送到输出为止。 图2显示了 UVLO 静态电流曲线，该曲线是随 VIN 单调变化的，因此一个低至 700nA 的电流源就可以将输入电容器充电至 UVLO 的上升门限，从而产生一个稳定的输出。一旦达到稳定，LTC3588-1 就进入休眠状态，在这状态下，输入和输出静态电流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，输出稳定时，静态电流仅为 950nA。然后降压型转换器按照需要接通和断开，以保持稳定。在休眠模式和 UVLO 模式，低静态电流都允许在输入电容器库中积累尽可能多的能量，即使可用电源电流非常低也不例外。 
当 VIN 达到 UVLO 上升门限时，集成的高效率同步降压型转换器接通，并开始从输入电容器向输出电容器传送能量。该降压型稳压器运用一种迟滞电压算法，通过来自 VOUT 检测引脚的内部反馈控制输出。通过一个内部 PMOS 开关使电感器电流斜坡上升至高达 250mA，然后再通过一个内部 NMOS 开关使该电流斜坡下降至零，凭借这一过程，该降压型稳压器通过一个电感器将输出电容器充电至略高于稳定点的值。这样可以高效率地向输出电容器提供能量。 如果在输出电压达到稳定之前，输入电压下降至低于 UVLO 下降门限，那么降压型转换器关闭，而且不再接通，直到输入电压上升至高于 UVLO 上升门限为止。这期间，VOUT 检测引脚上的泄漏不高于 90nA，输出电压仍然保持接近它在降压型稳压器切换时所达到的值。图 3 显示一个由 2mA 电流源充电的 LTC3588-1 典型启动波形。 当同步降压型稳压器使输出电压进入稳定时，该转换器进入低静态电流休眠状态，该状态用休眠比较器监视输出电压。在这种运行模式时，负载电流由降压型转换器的输出电容器提供。当输出电压下降至低于稳定点时，该降压型稳压器醒来，重复上述周期。这种提供稳定输出的迟滞方法最大限度地降低了与 FET 切换有关的损耗，并使在非常轻的负载时进行高效率调节成为可能。 该降压型转换器正在切换时，提供高达 100mA 的平均负载电流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 这 4 个输出电压是引脚可选的，以方便为微处理器、传感器和无线发送器供电。图 4 显示在稳定和休眠时极低的静态电流，这允许在轻负载时高效率运行。尽管切换时降压型稳压器的静态电流远高于休眠静态电流，但是它在负载电流中所占百分数仍然很小，从而在多种负载条件下实现了高效率 (图 5)。 
降压型转换器仅在输入电容器中积累了充足的能量时才工作，它以短突发将能量传送到输出，短突发所用时间远短于积累能量所需的时间。当降压型转换器工作时的静态电流在整个积累/突发周期中平均时，平均静态电流非常低，从而非常容易提供收集少量环境能量的电源。稳定状态时极低的静态电流允许 LTC3588-1 在负载不到 100mA 时实现高效率。 获得振动能量 压电元件能够将机械能 (通常是振动能) 转换为电能。压电元件可以由 PZT (锆钛酸铅) 陶瓷、PVDF (聚偏氟乙烯) 或其他复合材料制作而成。当陶瓷的晶体结构被压缩时，陶瓷压电元件呈现出一种压电效应，内部偶极运动将产生一个电压。当分子相互排斥而发生弯曲时，由长链分子构成的聚合物元件将产生一个电压。陶瓷常常在直接压力之下使用，而聚合物则更容易弯曲。 可用的压电器件有很多种，这些器件产生各种开路电压和短路电流。开路电压和短路电流形成一条压电器件的“负载线”，这条线随着可用振动能量的增加而上升，如图 6 所示。LTC3588-1 可以处理高达 20V 的输入电压，此时，一种保护性并联电路保护该器件免受 VIN 上过压情况的损害。如果充足的环境振动导致压电器件产生比 LTC3588-1 所需更多的能量，并联电路会消耗多余的能量，从而将压电器件有效地箝位在其负载线上。 LTC3588-1 通过内部低损耗桥式整流器与压电器件连接，桥式整流器可通过 PZ1 和 PZ2 引脚连接。整流后的输出存储在 VIN 电容器中。在 10uA 的典型压电电流时，与桥式整流器有关的压降在 400mV 量级。桥式整流器在 125℃ 时反向泄漏电流不到 1nA，带宽高于 1MHz，能携带 50mA 电流，因此适合其他多种输入电源。 可以确定环境振动的特征，以选择具有最佳特性的压电器件。振动频率和振动力以及使用 LTC3588-1 输出电容器库的时间间隔和每次突发所需能量有助于决定最佳压电器件。可以以这种方式设计系统，以便系统按照可用能量允许的频度执行任务。有些情况只要能收集能量，不管多少都行，这时没有必要优化压电器件。 可以选择的能量储存方法 收集的能量可以储存在输入电容器或输出电容器上。宽输入范围利用了以下事实的好处：储存在电容器上的能量与电容器电压的平方成正比。输出电压稳定后，任何多余的能量都储存在输入电容器上，输入电容器的电压也会上升。当输出端有负载时，降压型稳压器能够高效率地将以高压形式储存的能量传送给稳定的输出。尽管输入端的能量储存利用了输入端的高压，但是负载电流被限定为降压型稳压器能够提供的 100mA。如果需要为较大的瞬态负载提供服务，那么可以改变输出电容器的大小，以在瞬态期间支持较大的电流。 PGOOD 输出有助于进行电源管理。输出第一次达到稳定时，PGOOD 变高 (相对于 VOUT)，并保持高电平，直到输出降至稳定点的 92% 为止。PGOOD 可以用来触发一个系统负载。例如，PGOOD 变高时，电流突发可以开始，并持续消耗输出电容器电量，直到 PGOOD 变低为止。在有些情况下，利用最后焦耳是很重要，而且如果输出仍然在稳定点的 92% 之内，那么 PGOOD 引脚将保持高电平，即使输入降至低于较低的 UVLO 门限 (就像如果振动停止可能发生的那样) 也一样。 LTC3588-1 延长电池寿命 能量收集系统不但能消除对电池的需求，还能对电池解决方案起到补充作用。能量收集系统可以配置为，当环境能量可用时，就卸载电池，但是在环境电源消失时，就启用电池，将电池作为备份电源使用。这种方法不仅改善了可靠性，还能产生一个响应更快的系统。例如：布设于运输设备 (比如牵引拖车) 上的一个能量收集传感器节点可以在拖车的行驶途中收集能量。当货车停泊且无振动时，一个后备电池仍将提供运输设备查询所需的能量。 
图8中的电池备份电路显示一个 9V 电池和一个串联连接到 VIN 的隔离二极管。压电器件通过内部桥式整流器给 VIN 充电，而隔离二极管防止反向电流流入电池。图中所示是一个 9V 电池，只要电池组电压不超过 18V 就行，这是可以通过一个外部低阻抗电源加给 VIN 的最高电压。当设计一个电池备份系统时，应该选择压电换能器和电池，以使峰值压电电压超过电池电压。这允许压电器件“接管” 并为 LTC3588-1 供电。 大量可替换使用的能源解决方案 除了可从压电器件获得的环境振动能，LTC3588-1 还可以收集其他来源的能量。集成的桥式整流器允许很多 AC 电源为 LTC3588-1 供电。图 9所示的荧光灯能量收集器以容性方式收集 AC 供电的荧光灯管辐射的交替变化电场能量。铜板可以放置在位于灯架上的灯管的上方，以利用灯管产生的电场能量，并将该能量馈送给 LTC3588-1 和集成的桥式整流器。这样一个收集器可以在建筑物各处使用，为 HVAC 传感器节点供电。 LTC3588-1 另一个有用的应用是，用具有限流电阻器的 AC 线电压给该 IC 供电，如图10所示。这为简单的插件应用提供了一种低成本、无变压器的解决方案。设计直接连接到线电压的电路时，应该遵循一些正确的 UL 指导原则。 用来给 LTC3588-1 供电的不仅限于 AC 电源，太阳能电池板、热电耦等 DC 电源也可以使用，如图11 所示。这类电源可以连接到 PZ1/PZ2 输入之一，以利用电桥提供的反向电流保护功能。它们还可以用外部二极管“或”连到一起后，与 VIN 引脚相连。这为使用针对不同方向的多个太阳能电池板提供了方便，针对不同方向是为了在一天的不同时间获取太阳光照。 多个输出轨分享一个压电电源 
很多系统需要多个电源轨为不同的组件供电。微处理器可能使用 1.8V，可是无线发送器可能需要 3.6V。两个 LTC3588-1 器件可以连接到一个压电器件上，并同时为每个输出供电，如图12所示。这种配置具有自动电源排序功能，具有较低电压输出 (即较低 UVLO 上升门限) 的 LTC3588-1 先开始工作。随着压电器件提供输入功率，两个 VIN 轨最初同时开始工作，但是当一个输出开始消耗功率时，仅与其对应的 VIN 下降，因为每个 LTC3588-1 的桥提供隔离。然后，输入压电能转至这个较低电压的电容器，直到两个 VIN 轨再次相等为止。这种配置可扩展至多个由单个压电器件供电的 LTC3588 器件，只要压电器件能够支持所有 LTC3588-1 合起来的总静态电流就行。 作者：Michael Whitaker 凌力尔特公司设计工程师 时间：2010-06-18 |
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