飛機(jī)狀況監(jiān)視能量收集方案簡(jiǎn)介
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圖2 LTC3108用于無(wú)線遠(yuǎn)端傳感器應(yīng)用,該應(yīng)用由熱電發(fā)生器供電(Peltier Cell)
LTC3108用一個(gè)耗盡型 N 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)形成升壓型諧振振蕩器，該振蕩器使用一個(gè)外部升壓型變壓器和一個(gè)小型耦合電容器。這允許該器件將低至 20mV 的輸入電壓升高到足夠高，以提供多個(gè)穩(wěn)定輸出電壓，以給其它電路供電。振蕩頻率主要由變壓器次級(jí)繞組的電感和 LTC3108 的輸入電容決定，一般在 20kHz至200kHz的范圍內(nèi)。
就低至 20mV 的輸入電壓而言，推薦約為 1:100 的初-次級(jí)匝數(shù)比。就更高的輸入電壓而言，可以采用較低的匝數(shù)比，因?yàn)檫@將提供更大的輸出功率。這些變壓器是標(biāo)準(zhǔn)的組件，可以非常方便地從磁性組件供應(yīng)商那里得到。凌力爾特公司的復(fù)合耗盡型 N 溝道 MOSFET 是 20mV 工作得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。
如圖 3 所示，LTC3108 采用一種“系統(tǒng)級(jí)”方法來(lái)解決一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題。它可以轉(zhuǎn)換低壓源，并管理多個(gè)輸出之間的能量。
圖3 LTC3108 方框圖
利用一個(gè)外部充電泵電容器 (從次級(jí)繞組到引腳 C1) 和 LTC3108 內(nèi)置的整流器來(lái)升高變壓器次級(jí)繞組上產(chǎn)生的 AC 電壓并對(duì)其整流。整流器電路將電流饋送進(jìn) VAUX 引腳，向外部 VAUX 電容器提供電荷，然后向其它輸出。
內(nèi)部 2.2V LDO 可以支持一個(gè)低功率處理器或其它低功率 IC。該 LDO 由VAUX 或 VOUT中電壓值更高的一個(gè)供電。這使它能夠在 VAUX一充電至 2.3V 時(shí)就工作，同時(shí)VOUT存儲(chǔ)電容器仍然在充電。倘若 LDO輸出出現(xiàn)階躍負(fù)載， VAUX降至低于VOUT，電流就可以來(lái)自主 VOUT電容器。LDO輸出可以提供高達(dá) 3mA 的電流。
VOUT上的主輸出電壓靠 VAUX 電源充電，是用戶可編程的，可用電壓選擇引腳 VS1 和 VS2 編程設(shè)定為 4 個(gè)穩(wěn)定電壓之一。4 個(gè)固定輸出電壓是：用于超級(jí)電容器的 2.35V、用于標(biāo)準(zhǔn)電容器和 RF 或傳感器電路的 3.3V、用于鋰離子電池終止的 4.1V以及用于更高能量存儲(chǔ)和主系統(tǒng)軌以給無(wú)線發(fā)送器或傳感器供電的 5V，從而無(wú)須多兆歐外部電阻器。結(jié)果，LTC3108 不需要特殊的電路板涂層以最大限度地減少泄漏，而分立式設(shè)計(jì)不僅需要特殊的電路板涂層，還需要電阻值非常大的電阻器。
第二個(gè)輸出 VOUT2可以由主微處理器利用 VOUT2_EN引腳接通或斷開(kāi)。啟動(dòng)工作后，VOUT2 通過(guò)一個(gè) P 溝道 MOSFET 開(kāi)關(guān)連接到 VOUT。這個(gè)輸出可以用來(lái)給外部電路供電，如沒(méi)有低功率休眠或停機(jī)功能的傳感器或放大器。這種應(yīng)用的一個(gè)例子是，給建筑物自動(dòng)調(diào)溫器內(nèi)檢測(cè)電路組成部分的 MOSFET 供電，使其接通和斷開(kāi)。
VSTORE 電容器的值也許非常大 (數(shù)千微法甚至數(shù)法拉)，以在失去輸入電源時(shí)提供延遲。一旦加電完成，主、備份和開(kāi)關(guān)輸出就都可用了。如果輸入電源出故障，那么仍可繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)靠 VSTORE 電容器運(yùn)行。在 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)以后，VSTORE 輸出可以用來(lái)給一個(gè)大的存儲(chǔ)電容器或可再充電電池充電。一旦 VOUT 達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，那么就允許 VSTORE 輸出充電至高達(dá) VAUX 電壓，該電壓箝位在 5.3V。VSTORE 上的存儲(chǔ)組件不僅可在失去輸入源時(shí)用來(lái)給系統(tǒng)供電，而且還可在輸入源能量不充足時(shí)用來(lái)補(bǔ)充 VOUT、VOUT2 和 LDO 輸出需要的電流。一個(gè)電源良好比較器監(jiān)視 VOUT 電壓。一旦 VOUT 充電至其穩(wěn)定電壓的 7% 范圍內(nèi)，PGOOD 輸出就會(huì)變高。如果 VOUT 從其穩(wěn)定電壓下降超過(guò) 9%，PGOOD 將會(huì)變低。PGOOD 輸出設(shè)計(jì)成驅(qū)動(dòng)一個(gè)微處理器或其它芯片 I/O，而不驅(qū)動(dòng) LED 等較高電流的負(fù)載。
圖 4 所示電路利用一個(gè)小的壓電換能器將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成一個(gè) AC 電壓源，該電壓源饋送進(jìn) LTC3588-1 的內(nèi)部橋式整流器。它可以從小的振動(dòng)源收集能量，并產(chǎn)生系統(tǒng)電源，而無(wú)需使用傳統(tǒng)的電池電源。
圖4 將振動(dòng)或壓力源轉(zhuǎn)換成電流的LTC3588-1的電路原理圖
表1：熱源、電壓源兩種方法優(yōu)缺點(diǎn)比較
LTC3588-1 是一種超低靜態(tài)電流電源，專門(mén)為能量收集/低電流降壓型應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它可以直接連接到一個(gè)壓電或可供替代的 AC 電源，對(duì)電壓波形整流并在一個(gè)外部電容器中存儲(chǔ)收集的能量，通過(guò)一個(gè)內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器泄放任何多余的功率，并通過(guò)亳微功率高效率降壓型穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。
LTC3588-1 的內(nèi)部全波橋式整流器可通過(guò)兩個(gè)差分輸入 PZ1 和 PZ2 接入，對(duì) AC 輸入整流。整流后的輸出再存儲(chǔ)到 VIN 引腳處的電容器上，并可用作降壓型轉(zhuǎn)換器的能量庫(kù)。在典型的壓電產(chǎn)生電流的情況下，低通橋式整流器具有大約 400mV 的總壓降，壓電產(chǎn)生的電流通常為 10µA 左右。這種橋能夠攜帶高達(dá) 50mA 的電流。一旦在 VIN 上有充足的電壓，就啟動(dòng)降壓型穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定輸出。
降壓型穩(wěn)壓器采用遲滯電壓算法，以通過(guò)來(lái)自 VOUT 檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器通過(guò)電感器將一個(gè)輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。它通過(guò)以下方法做到這一點(diǎn)：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260mA，然后再通過(guò)一個(gè)內(nèi)部NMOS 開(kāi)關(guān)使其斜坡下降至0mA，因此可高效率地向輸出電容器提供能量。它提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并在輕負(fù)載時(shí)保持輸出。降壓型轉(zhuǎn)換器在它切換時(shí)提供最小100mA 的平均負(fù)載電流。
結(jié)論
就能源選擇而言，在熱源和壓電源之間存在權(quán)衡問(wèn)題。表1總結(jié)了這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
由于全世界都缺乏模擬開(kāi)關(guān)模式電源設(shè)計(jì)專長(zhǎng)，設(shè)計(jì)一個(gè)有效的能量收集系統(tǒng)一直都很難，如圖 1 所示。不過(guò)，隨著 LTC3108 和 LTC3588-1 的推出，這種狀況將為之改觀。這些器件幾乎可以從任何熱源或機(jī)械振動(dòng)源抽取能量，而熱源和機(jī)械振動(dòng)源在飛機(jī)環(huán)境中是常見(jiàn)的。此外，這些器件具有全面的功能并易于設(shè)計(jì)，因此它們極大地簡(jiǎn)化了能量收集鏈中難以實(shí)現(xiàn)的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。對(duì)于飛機(jī)狀況監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，這是個(gè)好消息，因?yàn)檫@些器件具有高集成度，包括電源管理控制和現(xiàn)成有售的外部組件，就形成完整能量收集鏈而言，這使它們成為最小、最簡(jiǎn)單和最易于使用的可用解決方案。本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/186141.htm
評(píng)論