為能量收集物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的電源轉(zhuǎn)換選項

環(huán)境能量收集功率的物聯(lián)網(wǎng)(IOT)傳感器節(jié)點的可能來源，但需要精心管理。除非基于太陽能或熱技術(shù)收割機，例如，被設(shè)計成與傳統(tǒng)的電路兼容，直流/直流轉(zhuǎn)換器需要為低電壓輸入進行優(yōu)化。對于物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點往往需要置于遠離可靠的電力來源，但工作了很多年。雖然長期貯存壽命電池為這些設(shè)備供電提供了一個選項，一個日益可行的替代方案是使用環(huán)境能量收集，使用來源，如光，振動和溫度的差異。與能量采集設(shè)計的關(guān)鍵問題是，權(quán)力的來源往往是充滿變數(shù)和不可預(yù)知。為電子的功能，由收割元件提供的功率需要使用一個或多個功率轉(zhuǎn)換級來調(diào)節(jié)。在大多數(shù)情況下，峰值能量可用于收集不與系統(tǒng)的峰值需求，這將意味著在系統(tǒng)內(nèi)儲存的多余能量，用一個組件，如超級電容器，使得它準(zhǔn)備在需要時可以應(yīng)用一致。通常情況下，收獲將允許系統(tǒng)積累能量在很長一段時間，在此期間，大部分系統(tǒng)本身將是睡著削減電力需求。當(dāng)系統(tǒng)喚醒獲取讀數(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送記錄的數(shù)據(jù)，它接入到該貯存器的積累能量。

德州儀器IV曲線圖片為典型的太陽能電池圖1：典型的太陽能電池IV曲線和可能的收獲電流兩級照射(德州儀器提供)當(dāng)系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)，這部分需求的功耗要保持盡可能低的水平，以避免浪費寶貴的能源。這代表了一個嚴格的要求不只是用來提供處理電子設(shè)備的DC / DC變換器的靜態(tài)電流，而且還取決于它供應(yīng)功率的作為處理器能力和相關(guān)電路喚醒。在DC / DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計面臨了進一步的挑戰(zhàn)。所收獲的能量通常是在一種形式，是難以使用。雖然壓電型和靜電型收割機通常在相對高的電壓下工作，該電壓由最能捕獲技術(shù)生成的顯著小于1 V例如，小光伏電池可以與低于0.5五電壓下工作為了能夠處理這種低電壓時，直流/直流轉(zhuǎn)換器需要提供給不只是提供升壓調(diào)節(jié)但從電壓是顯著低于主流的設(shè)計旨在電池供電系統(tǒng)中遇到啟動的能力。另一個考慮是，最大功率點(MPP)跟蹤。典型地，細胞在光伏模塊將產(chǎn)生非常小的功率時產(chǎn)生高電壓。當(dāng)光線水平上升時，電壓將有所回落，但目前將急劇增加，直至接近其峰值水平。溫度也起到了重要作用。作為模塊加熱，模塊的輸出電壓將下降，這將降低其總能量輸出。其結(jié)果是，即使在強烈的陽光時期時，他們應(yīng)該是在最高效率，光伏可以從顯著滴在轉(zhuǎn)換效率遭受如果電子電路不對此進行補償。由于電流正比于細胞大小，專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的小型光伏面板供應(yīng)不足適用于家庭或工業(yè)發(fā)電的大型機組的電流。其結(jié)果，重要的是要限制電流通過轉(zhuǎn)換電路所吸收，以避免強制轉(zhuǎn)換器電路以閉鎖，直到系統(tǒng)復(fù)位。實現(xiàn)這一目標(biāo)的最有效的方法是采用MPP跟蹤。與MPP跟蹤操作，逆變器電路可以使用的電壓和電流的最佳組合，并提供必要的阻力提供一個負載，以允許高效的能量收集。德州儀器TPS61200是DC / DC轉(zhuǎn)換器，被設(shè)計用于與電池或太陽能能源使用。升壓轉(zhuǎn)換器的TPS61200具有從電壓低至0.3 V在2μH至5μH范圍內(nèi)的外部電感器的幫助和一個4.7μF的電容，以改善瞬態(tài)行為啟動的能力。該裝置有三個不同的N型溝道FET內(nèi)，用于保持對轉(zhuǎn)換器的整個范圍內(nèi)具有高效率的同步功率轉(zhuǎn)換。因為它需要時間來產(chǎn)生足夠高的電壓來驅(qū)動典型微控制器和混合信號器件，這經(jīng)常需要在3伏范圍內(nèi)的供給，該裝置具有兩個輸出引腳：VOUT和VAUX。在VAUX引腳允許低壓組分被盡快供電，它們能夠以低電源電壓工作條件。一旦轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生足夠高的輸出電壓 - 這是在該上VAUX輸出電容器被充電到2.5伏的點 - VOUT變?yōu)橛行?。為了避免過度的電流消耗在啟動時，轉(zhuǎn)換器限制了它的電流在第一，使電流沿與輸出電壓上升。雖然它不實現(xiàn)的MPP內(nèi)部跟蹤，所述TPS61200可用于基于一個運算放大器，電壓參考和多個無源元件的一個相對簡單的模擬電路。技術(shù)VAUX，運算放大器應(yīng)該是一個軌到軌放大器具有低功耗，能夠工作在低電源電壓。運算放大器的輸出被連接到TPS61200來控制變換器的輸出電壓，利用太陽能電池的供給的輸入電壓，比較該到電壓基準(zhǔn)的反饋管腳。如果電壓基準(zhǔn)由一個電位器控制，而不是由一個電阻分壓器，該電路提供給調(diào)整電路，以不同的太陽能電池的類型和不同的條件的能力。在最終應(yīng)用中，電位器可以由一個固定的分壓器被替換之后被發(fā)現(xiàn)的特定太陽能電池的最大功率點的理想值。

一個MPP電路的TI TPS61200：MPP電路TI的TPS61200圖2的圖像。在穩(wěn)態(tài)條件下，輸入電流成比例的輸出電流由轉(zhuǎn)換比率由輸出電壓分壓器設(shè)定。以降低輸入電流，MPP電路通過電流注入反饋節(jié)點減少所設(shè)置的輸出電壓，以低得多的值。在低負載電流，平均300毫安，其通常與周圍小型太陽能收割機內(nèi)置設(shè)計的情況之下，轉(zhuǎn)換器進入一個省電模式，以保持高效率，在寬負載電流范圍。在這種模式下，轉(zhuǎn)換器提供能量的短脈沖。輸出電容器充當(dāng)能量儲存器來平滑的脈沖。的bq25504，也由德州儀器供給，納入在MPP跟蹤電路，并設(shè)計成與任何熱或太陽能收割機操作。雖然它需要與至少為330毫伏的輸入電壓開始，一旦啟動該裝置可以收獲能量下降到80毫伏，使其適于與可處理非常小的溫度差的熱發(fā)電機使用 - 雖然顯著差異需要允許該電路啟動。隨著外部升壓變壓器的幫助和一個小耦合電容，凌力爾特LTC3108可與輸入電壓低至20 mV的操作。轉(zhuǎn)換器的低電壓能力使其能夠與塞貝克效應(yīng)收割機可以與溫差低至1℃的操作使用。這些小的差別通常在身體佩帶的傳感器，其中的主要熱源是人的皮膚的溫度和它們的直接環(huán)境之間的差遇到。轉(zhuǎn)換器的振蕩頻率是由變壓器次級繞組的電感確定，并且通常在10千赫至100千赫的范圍內(nèi)。對于輸入電壓低至20 mV的，約1初級次級匝數(shù)比：100推薦的線性。類似于TPS61200，以允許與兩個低電壓，永久有源電路和睡眠功能的微處理器使用，有多個電壓輸出。還有永久啟用VAUX時，LTC3018已經(jīng)不僅僅是一個VOUT引腳能夠產(chǎn)生高達3.3 V的，但也有2.2 V LDO的輸出設(shè)計為與低功耗微控制器使用。為了幫助支持能量采集應(yīng)用，將Cymbet和IXYS開發(fā)小型便攜式太陽能電池。所述Cymbet的CBC-PV-01是在與大約30平方厘米的收集區(qū)域的玻璃基板的低電壓非晶硅太陽能電池。其典型工作電壓為0.8V約為200μA，在200勒克斯熒光燈下的輸出電流。組織成一個小串的細胞的SOP8封裝里面，IXYS CPC1822提供更高的輸出電壓比單個細胞，允許與更普通DC / DC轉(zhuǎn)換器的使用。額定輸出電壓為4V，在直接陽光和人造光運作，提供下6000勒克司陽光直射的50微安的短路電流。由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備變得越來越普遍，我們可以期待一個更側(cè)重于DC / DC轉(zhuǎn)換器，提供高效率升壓轉(zhuǎn)換以及專門的收割機提供與開關(guān)模式電源技術(shù)更好的兼容性。