能量收集系統(tǒng)介紹

低功率技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步使得在多種應(yīng)用中建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)變得更加容易，如遠(yuǎn)端取樣、HVAC 監(jiān)視、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。問(wèn)題是，甚至無(wú)線傳感器也需要定期更換的電池，而這是一項(xiàng)昂貴和復(fù)雜的維護(hù)任務(wù)。一種較好的無(wú)線電源解決方案是從傳感器所在環(huán)境收集機(jī)械、熱或電磁能。

　　一般情況下，可收集的環(huán)境能量在數(shù)十 mW，因此能量收集需要仔細(xì)的功率管理，以成功獲取數(shù) mW 的環(huán)境能量，并將其存儲(chǔ)在一個(gè)可使用的能量庫(kù)中。一種常見(jiàn)的環(huán)境能源是機(jī)械振動(dòng)能，這種能量由工廠中運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇葉片上的氣流、甚至行駛的車(chē)輛產(chǎn)生。壓電換能器可用來(lái)將這種振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，電能再用來(lái)給電路供電。

　　為了管理能量收集和能量向系統(tǒng)的釋放，LTC3588-1 壓電能量收集電源 (圖 1) 集成了一個(gè)低損耗內(nèi)部橋式整流器和一個(gè)同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該裝置運(yùn)用一種高效的能量收集算法以收集和存儲(chǔ)來(lái)自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十mA 的短路電流。

　　能量收集系統(tǒng)常常必須支持比壓電器件能產(chǎn)生的電流高得多的峰值負(fù)載電流，因此 LTC3588-1 能夠積累能量，然后再以短的能量突發(fā)向負(fù)載釋放能量。當(dāng)然，就連續(xù)運(yùn)行而言，這類(lèi)突發(fā)能量必須以低占空比提供，以便在突發(fā)期間總的輸出能量不超過(guò)在能量積累周期中所累積的平均電源能量。一個(gè)以固定時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量、并在兩次測(cè)量之間發(fā)送數(shù)據(jù)并斷電的傳感器系統(tǒng)是能量收集解決方案的首選。

　　能量收集的關(guān)鍵是低靜態(tài)電流

　　能量收集過(guò)程依賴低靜態(tài)電流能量積累階段。LTC3588-1 通過(guò)欠壓閉鎖 (UVLO) 模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到 1mA 的靜態(tài)電流。UVLO 模式允許在一個(gè)輸入電容器上積累電荷，直到內(nèi)部降壓型轉(zhuǎn)換器能夠高效率地將部分存儲(chǔ)的電荷傳送到輸出為止。

　　圖2顯示了 UVLO 靜態(tài)電流曲線，該曲線是隨 VIN 單調(diào)變化的，因此一個(gè)低至 700nA 的電流源就可以將輸入電容器充電至 UVLO 的上升門(mén)限，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。一旦達(dá)到穩(wěn)定，LTC3588-1 就進(jìn)入休眠狀態(tài)，在這狀態(tài)下，輸入和輸出靜態(tài)電流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，輸出穩(wěn)定時(shí)，靜態(tài)電流僅為 950nA。然后降壓型轉(zhuǎn)換器按照需要接通和斷開(kāi)，以保持穩(wěn)定。在休眠模式和 UVLO 模式，低靜態(tài)電流都允許在輸入電容器庫(kù)中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

　　當(dāng) VIN 達(dá)到 UVLO 上升門(mén)限時(shí)，集成的高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器接通，并開(kāi)始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩(wěn)壓器運(yùn)用一種遲滯電壓算法，通過(guò)來(lái)自 VOUT 檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。通過(guò)一個(gè)內(nèi)部 PMOS 開(kāi)關(guān)使電感器電流斜坡上升至高達(dá) 250mA，然后再通過(guò)一個(gè)內(nèi)部 NMOS 開(kāi)關(guān)使該電流斜坡下降至零，憑借這一過(guò)程，該降壓型穩(wěn)壓器通過(guò)一個(gè)電感器將輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

　　如果在輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定之前，輸入電壓下降至低于 UVLO 下降門(mén)限，那么降壓型轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于 UVLO 上升門(mén)限為止。這期間，VOUT 檢測(cè)引腳上的泄漏不高于 90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩(wěn)壓器切換時(shí)所達(dá)到的值。圖 3 顯示一個(gè)由 2mA 電流源充電的 LTC3588-1 典型啟動(dòng)波形。當(dāng)同步降壓型穩(wěn)壓器使輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)入低靜態(tài)電流休眠狀態(tài)，該狀態(tài)用休眠比較器監(jiān)視輸出電壓。在這種運(yùn)行模式時(shí)，負(fù)載電流由降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降至低于穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，該降壓型穩(wěn)壓器醒來(lái)，重復(fù)上述周期。這種提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并使在非常輕的負(fù)載時(shí)進(jìn)行高效率調(diào)節(jié)成為可能。

　　該降壓型轉(zhuǎn)換器正在切換時(shí)，提供高達(dá) 100mA 的平均負(fù)載電流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 這 4 個(gè)輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無(wú)線發(fā)送器供電。圖 4 顯示在穩(wěn)定和休眠時(shí)極低的靜態(tài)電流，這允許在輕負(fù)載時(shí)高效率運(yùn)行。盡管切換時(shí)降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流遠(yuǎn)高于休眠靜態(tài)電流，但是它在負(fù)載電流中所占百分?jǐn)?shù)仍然很小，從而在多種負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率 (圖 5)。

　　降壓型轉(zhuǎn)換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時(shí)才工作，它以短突發(fā)將能量傳送到輸出，短突發(fā)所用時(shí)間遠(yuǎn)短于積累能量所需的時(shí)間。當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的靜態(tài)電流在整個(gè)積累/突發(fā)周期中平均時(shí)，平均靜態(tài)電流非常低，從而非常容易提供收集少量環(huán)境能量的電源。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)極低的靜態(tài)電流允許 LTC3588-1 在負(fù)載不到 100mA 時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。