能量收集系統(tǒng)介紹

　　壓電元件能夠?qū)C(jī)械能 (通常是振動(dòng)能) 轉(zhuǎn)換為電能。壓電元件可以由 PZT (鋯鈦酸鉛) 陶瓷、PVDF (聚偏氟乙烯) 或其他復(fù)合材料制作而成。當(dāng)陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)被壓縮時(shí)，陶瓷壓電元件呈現(xiàn)出一種壓電效應(yīng)，內(nèi)部偶極運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生一個(gè)電壓。當(dāng)分子相互排斥而發(fā)生彎曲時(shí)，由長(zhǎng)鏈分子構(gòu)成的聚合物元件將產(chǎn)生一個(gè)電壓。陶瓷常常在直接壓力之下使用，而聚合物則更容易彎曲。

　　可用的壓電器件有很多種，這些器件產(chǎn)生各種開(kāi)路電壓和短路電流。開(kāi)路電壓和短路電流形成一條壓電器件的“負(fù)載線”，這條線隨著可用振動(dòng)能量的增加而上升，如圖 6 所示。LTC3588-1 可以處理高達(dá) 20V 的輸入電壓，此時(shí)，一種保護(hù)性并聯(lián)電路保護(hù)該器件免受 VIN 上過(guò)壓情況的損害。如果充足的環(huán)境振動(dòng)導(dǎo)致壓電器件產(chǎn)生比 LTC3588-1 所需更多的能量，并聯(lián)電路會(huì)消耗多余的能量，從而將壓電器件有效地箝位在其負(fù)載線上。

　　LTC3588-1 通過(guò)內(nèi)部低損耗橋式整流器與壓電器件連接，橋式整流器可通過(guò) PZ1 和 PZ2 引腳連接。整流后的輸出存儲(chǔ)在 VIN 電容器中。在 10uA 的典型壓電電流時(shí)，與橋式整流器有關(guān)的壓降在 400mV 量級(jí)。橋式整流器在 125℃ 時(shí)反向泄漏電流不到 1nA，帶寬高于 1MHz，能攜帶 50mA 電流，因此適合其他多種輸入電源。

　　可以確定環(huán)境振動(dòng)的特征，以選擇具有最佳特性的壓電器件。振動(dòng)頻率和振動(dòng)力以及使用 LTC3588-1 輸出電容器庫(kù)的時(shí)間間隔和每次突發(fā)所需能量有助于決定最佳壓電器件?？梢砸赃@種方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以便系統(tǒng)按照可用能量允許的頻度執(zhí)行任務(wù)。有些情況只要能收集能量，不管多少都行，這時(shí)沒(méi)有必要優(yōu)化壓電器件。

　　可以選擇的能量?jī)?chǔ)存方法

　　收集的能量可以儲(chǔ)存在輸入電容器或輸出電容器上。寬輸入范圍利用了以下事實(shí)的好處：儲(chǔ)存在電容器上的能量與電容器電壓的平方成正比。輸出電壓穩(wěn)定后，任何多余的能量都儲(chǔ)存在輸入電容器上，輸入電容器的電壓也會(huì)上升。當(dāng)輸出端有負(fù)載時(shí)，降壓型穩(wěn)壓器能夠高效率地將以高壓形式儲(chǔ)存的能量傳送給穩(wěn)定的輸出。盡管輸入端的能量?jī)?chǔ)存利用了輸入端的高壓，但是負(fù)載電流被限定為降壓型穩(wěn)壓器能夠提供的 100mA。如果需要為較大的瞬態(tài)負(fù)載提供服務(wù)，那么可以改變輸出電容器的大小，以在瞬態(tài)期間支持較大的電流。

　　PGOOD 輸出有助于進(jìn)行電源管理。輸出第一次達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，PGOOD 變高 (相對(duì)于 VOUT)，并保持高電平，直到輸出降至穩(wěn)定點(diǎn)的 92% 為止。PGOOD 可以用來(lái)觸發(fā)一個(gè)系統(tǒng)負(fù)載。例如，PGOOD 變高時(shí)，電流突發(fā)可以開(kāi)始，并持續(xù)消耗輸出電容器電量，直到 PGOOD 變低為止。在有些情況下，利用最后焦耳是很重要，而且如果輸出仍然在穩(wěn)定點(diǎn)的 92% 之內(nèi)，那么 PGOOD 引腳將保持高電平，即使輸入降至低于較低的 UVLO 門限 (就像如果振動(dòng)停止可能發(fā)生的那樣) 也一樣。LTC3588-1 延長(zhǎng)電池壽命

　　能量收集系統(tǒng)不但能消除對(duì)電池的需求，還能對(duì)電池解決方案起到補(bǔ)充作用。能量收集系統(tǒng)可以配置為，當(dāng)環(huán)境能量可用時(shí)，就卸載電池，但是在環(huán)境電源消失時(shí)，就啟用電池，將電池作為備份電源使用。這種方法不僅改善了可靠性，還能產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)更快的系統(tǒng)。例如：布設(shè)于運(yùn)輸設(shè)備 (比如牽引拖車) 上的一個(gè)能量收集傳感器節(jié)點(diǎn)可以在拖車的行駛途中收集能量。當(dāng)貨車停泊且無(wú)振動(dòng)時(shí)，一個(gè)后備電池仍將提供運(yùn)輸設(shè)備查詢所需的能量。

　　圖8中的電池備份電路顯示一個(gè) 9V 電池和一個(gè)串聯(lián)連接到 VIN 的隔離二極管。壓電器件通過(guò)內(nèi)部橋式整流器給 VIN 充電，而隔離二極管防止反向電流流入電池。圖中所示是一個(gè) 9V 電池，只要電池組電壓不超過(guò) 18V 就行，這是可以通過(guò)一個(gè)外部低阻抗電源加給 VIN 的最高電壓。當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)電池備份系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)該選擇壓電換能器和電池，以使峰值壓電電壓超過(guò)電池電壓。這允許壓電器件“接管” 并為 LTC3588-1 供電。

　　大量可替換使用的能源解決方案

　　除了可從壓電器件獲得的環(huán)境振動(dòng)能，LTC3588-1 還可以收集其他來(lái)源的能量。集成的橋式整流器允許很多 AC 電源為 LTC3588-1 供電。圖 9所示的熒光燈能量收集器以容性方式收集 AC 供電的熒光燈管輻射的交替變化電場(chǎng)能量。銅板可以放置在位于燈架上的燈管的上方，以利用燈管產(chǎn)生的電場(chǎng)能量，并將該能量饋送給 LTC3588-1 和集成的橋式整流器。這樣一個(gè)收集器可以在建筑物各處使用，為 HVAC 傳感器節(jié)點(diǎn)供電。

　　LTC3588-1 另一個(gè)有用的應(yīng)用是，用具有限流電阻器的 AC 線電壓給該 IC 供電，如圖10所示。這為簡(jiǎn)單的插件應(yīng)用提供了一種低成本、無(wú)變壓器的解決方案。設(shè)計(jì)直接連接到線電壓的電路時(shí)，應(yīng)該遵循一些正確的 UL 指導(dǎo)原則。

　　用來(lái)給 LTC3588-1 供電的不僅限于 AC 電源，太陽(yáng)能電池板、熱電耦等 DC 電源也可以使用，如圖11 所示。這類電源可以連接到 PZ1/PZ2 輸入之一，以利用電橋提供的反向電流保護(hù)功能。它們還可以用外部二極管“或”連到一起后，與 VIN 引腳相連。這為使用針對(duì)不同方向的多個(gè)太陽(yáng)能電池板提供了方便，針對(duì)不同方向是為了在一天的不同時(shí)間獲取太陽(yáng)光照。多個(gè)輸出軌分享一個(gè)壓電電源

　　很多系統(tǒng)需要多個(gè)電源軌為不同的組件供電。微處理器可能使用 1.8V，可是無(wú)線發(fā)送器可能需要 3.6V。兩個(gè) LTC3588-1 器件可以連接到一個(gè)壓電器件上，并同時(shí)為每個(gè)輸出供電，如圖12所示。這種配置具有自動(dòng)電源排序功能，具有較低電壓輸出 (即較低 UVLO 上升門限) 的 LTC3588-1 先開(kāi)始工作。隨著壓電器件提供輸入功率，兩個(gè) VIN 軌最初同時(shí)開(kāi)始工作，但是當(dāng)一個(gè)輸出開(kāi)始消耗功率時(shí)，僅與其對(duì)應(yīng)的 VIN 下降，因?yàn)槊總€(gè) LTC3588-1 的橋提供隔離。然后，輸入壓電能轉(zhuǎn)至這個(gè)較低電壓的電容器，直到兩個(gè) VIN 軌再次相等為止。這種配置可擴(kuò)展至多個(gè)由單個(gè)壓電器件供電的 LTC3588 器件，只要壓電器件能夠支持所有 LTC3588-1 合起來(lái)的總靜態(tài)電流就行。