能量采集系統(tǒng)設置

 

顯然，能量采集系統(tǒng)中最重要的就是采集器了，而最常見的是太陽能電池。采集器產(chǎn)生的電能需轉換為有用的電壓或電流，才能為系統(tǒng)供電，或者為超級電容和電池等中間儲能設備充電。系統(tǒng)上電后，需針對電子設備產(chǎn)生正確的電壓。圖1顯示了能滿足各種不同任務需要的電源管理單元。使輸入阻抗匹配，以便最大程度采集能量、為中間儲能設備充電、從傳統(tǒng)一次電池轉移電能、為系統(tǒng)生成正確的輸出電壓以及監(jiān)控電流流動和電壓，從而形成一個可靠的系統(tǒng)。所有這些任務都必須在極低的電源功率條件下實現(xiàn)，以便系統(tǒng)能夠采用小型采集器或傳感器。這些功能高度集成在DC-DC轉換器中，有助于降低這類任務所需的電能。

 

圖1中的系統(tǒng)顯示了一個用于無線環(huán)境傳感器的典型能量采集系統(tǒng)。這些傳感器通常用來檢測溫度、濕度或各種氣體，比如二氧化碳。能量采集還有很多其它應用。無線占位傳感器或工業(yè)監(jiān)控（比如資產(chǎn)追蹤和機器監(jiān)控）中的安全與安保方面屬于工業(yè)應用。

 

能量采集還用于消費電子設備中，比如便攜式設備和可穿戴設備。在家庭醫(yī)療保健應用中，無線病人監(jiān)護需要在無電池的情況下使用，或者延長電池壽命。

 

能量采集是目前非常流行的一個話題。很多工程師都必須評估能量采集解決方案是否能代替或補充現(xiàn)有的能源解決方案。這類系統(tǒng)目前如此受歡迎的原因是我們最終達到了一個均衡點，即從相對成本較低且尺寸較小的采集器獲得的能量足以為極低功耗微控制器和RF電路供電。過去數(shù)年內(nèi)，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代和能耗都有了進步，因此5到10年前不可行的很多應用現(xiàn)在都得以實現(xiàn)，且經(jīng)濟實惠。

 

圖1. 能量采集系統(tǒng)設置

 

不同的能量來源

 

能量有各種來源，最常見的是光伏(PV)、熱電(TEG)、電磁、壓電和RF。光伏和熱電采集器產(chǎn)生直流電壓，而電磁、壓電和RF采集器產(chǎn)生交變電壓或交流電壓。這便使得電源轉換技術的要求稍有不同。

 

圖2顯示了不同的采集類型，以及一個尺寸為10平方厘米的采集器大致可以產(chǎn)生的能源量。該圖左側顯示產(chǎn)生的能源，右側顯示針對不同任務的功耗。注意，中間的功率尺度取對數(shù)。這張圖很重要，可以從中獲得切實可行的設計思路。很多時候，設計人員的工作和精力花費在評估能量采集解決方案上，最后卻發(fā)現(xiàn)所采集的能量不足以為特定系統(tǒng)供電。

 

圖2. 不同的能量來源和不同應用所需的能量要求

 

DC-DC轉換器單元的重要性

 

電源轉換和管理通常是現(xiàn)代能量采集系統(tǒng)的核心組件。雖然某些應用并不采用復雜的功率器件，但更多應用的功率器件較為復雜。不含智能電源管理的系統(tǒng)示例有鏈式太陽能電池堆棧，可生成相對較高的直流電壓，直接為系統(tǒng)供電或在兩者之間放置一個簡單的線性穩(wěn)壓器后供電。這類系統(tǒng)通常達不到最佳的能效，或者電源電壓不能良好調(diào)節(jié)。雖然某些負載可以在變化較大的電源電壓下工作，但另一些不行。此外，更高級的系統(tǒng)傾向于要求使用某類電壓轉換器和管理模塊。

 

圖3. 適合能量采集應用的電源管理器件功能框圖

 

圖3顯示了適合能量采集應用的現(xiàn)代電源管理器件的功能框圖。它包含啟動電路，該電路帶電荷泵，使輸入端上的啟動電壓為380 mV。系統(tǒng)運行后,ADP5090的內(nèi)部電路由ADP5090的輸出電壓供電。它也是為能量采集系統(tǒng)負載供電的節(jié)點。當節(jié)點高于1.9 V時，輸入電壓可下降至80 mV，但依然可采集能量。這對于那些在非最優(yōu)情況下花了很多時間的系統(tǒng)而言非常有用，比如采用太陽能電池供電的室內(nèi)傳感器。太陽能電池在早上和晚上受到的光照可能很少，進而產(chǎn)生的電能也非常少。在這些時間內(nèi)采集一定能量有利于給定時間段內(nèi)的總功率預算。ADP5090具有低靜態(tài)電流特性，因而從另一方面改善了這類情況。需注意的是，其功耗僅為260 nA。圖4顯示了一個典型的實際應用。該曲線顯示了住宅樓內(nèi)的不同位置，以及采用太陽能電池的傳感器處于黑暗中的典型時間。當然，這只是一個典型案例。傳感器接收的光量取決于房子的結構，包括窗戶數(shù)量、在用的電燈數(shù)量以及傳感器的確切位置。此外，一年中的季節(jié)和房子的位置也會影響這類圖形。重點在于，在這種變化較大的照明條件下，ADP5090的低功耗特性對總功率預算極為有幫助，尤其是那些大部分時間都處于黑暗中的場所。

 

圖4. 不同住宅樓位置的傳感器處于黑暗中的典型時間

 

ADP5090中的DC-DC轉換器級很有意思。正如大部分DC-DC轉換器，它具有調(diào)節(jié)環(huán)路。然而，它既不會調(diào)節(jié)輸出電壓，也不會調(diào)節(jié)輸出電流。調(diào)節(jié)環(huán)路主要以調(diào)節(jié)輸入阻抗的方式設置。

 

太陽能電池的電流和電壓表現(xiàn)如圖5所示。在開環(huán)條件下，沒有電流流過時，所提供的電壓達到最大值。然后，隨著電流流動，電壓開始下降。在極高的電流下，電壓下降得非常快。在曲線的中部形成了一個膝蓋形狀，它就是峰值功率點。在該點處，電壓依然相對較高，但吸取了較多電流。為了在最大峰值功率點處工作，我們需要跟蹤這一點。僅設置一個我們所描繪的固定電流值是無法工作的，因為圖5中特定太陽能電池的曲線將根據(jù)不同的光照條件而發(fā)生偏移。如需跟蹤MPP（最大峰值功率點），則ADP5090停止在輸入端傳導電流并在不加載 太陽能電池電壓的情況下檢查該電壓，然后設置下一個16秒的MPP。經(jīng)過此時間周期之后，再次執(zhí)行開環(huán)檢查。16秒是個良好的折衷點，既遠離MPP漂移，又不會過于頻繁地中斷采集操作。

 

圖5. 典型光伏電池的電壓和電流曲線

 

MPP跟蹤確保大部分能量從光伏電池或熱電發(fā)生器等電源采集，但電源管理單元還有其它任務。例如，它需要在某個電壓窗口內(nèi)控制輸出電壓。ADP5090用作電流源，為超級電容或電池充電。此元件對于消耗能量的能量采集而言很重要。這樣可以實現(xiàn)很多沒有恒定可用能量供采集并以指定間隔執(zhí)行某些系統(tǒng)任務的系統(tǒng)。例如，無線傳感器網(wǎng)絡中的某個傳感器需要每隔5分鐘發(fā)送一次溫度值。如果該傳感器由太陽能電池供電，由于中間儲能單元，系統(tǒng)依然可以在沒有光照的情況下工作。

 

目前一個非常受歡迎的架構是將能量采集設備加入一次電池供電的系統(tǒng)中。使用不可充電電池的產(chǎn)品可以成功地通過加入能量采集功能來延長系統(tǒng)壽命。這樣可以延長工作時間，而不會影響系統(tǒng)的可靠性。針對這類混合系統(tǒng)，ADP5090提供控制一次電池的能力。當沒有足夠的采集能量時，一次電池的電源路徑便轉而直接為負載供電。

 

圖6. 適合能量采集應用的電源管理級示例

 

圖6顯示了一個完整的能量采集功率級，不僅包含主ADP5090 MPPT能量采集IC，還帶有一個備用IC，即ADP5310。它是一款DC-DC轉換器，可以非常高效地產(chǎn)生兩路輸出電壓。在100 μA輸出電流時，其效率接近90%。此外，ADP5310還集成了一個負載開關。此負載開關可用來關閉那些持續(xù)消耗能量的負載，哪怕這些負載并未使用。

 

ADP5310降壓轉換器支持的輸入電壓最高達15 V。因此，這款器件可以直接用于交流電壓生成器，比如壓電類或電磁類發(fā)生器。只需一個橋式整流器，輸出電壓便可直接饋入ADP5310。

 

現(xiàn)在，很多電源管理集成電路均針對能量采集應用而專門設計。它們可讓系統(tǒng)支持更小的采集器，或者實現(xiàn)數(shù)年前無法設計出來的能量采集解決方案。系統(tǒng)設計人員有一些好的想法現(xiàn)在正在實施中，不久之后我們就能見證它們的實現(xiàn)并贊嘆不已。

 

 

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