滿(mǎn)足穿戴式產(chǎn)品應(yīng)用 低功率能量采集技術(shù)不可或缺
能源在環(huán)境中無(wú)所不在，舉凡人類(lèi)的體溫、室內(nèi)照明甚至黃昏日光的光能，以及日常身體移動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，都可透過(guò)低功率能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)換成電力。對(duì)穿戴式裝置等無(wú)法內(nèi)建大型電池的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，若能加以采集，則運(yùn)作時(shí)間將可大幅延長(zhǎng)。
能源在環(huán)境中無(wú)所不在，舉凡人類(lèi)的體溫、室內(nèi)照明甚至黃昏日光的光能，以及日常身體移動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，都可透過(guò)低功率能量采集技術(shù)轉(zhuǎn)換成電力。對(duì)穿戴式裝置等無(wú)法內(nèi)建大型電池的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，若能加以采集，則運(yùn)作時(shí)間將可大幅延長(zhǎng)。
支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的無(wú)線(xiàn)傳感器正在大幅增加，而這也提高了因應(yīng)較低功率無(wú)線(xiàn)裝置而訂制、小型、纖巧和高效率電源轉(zhuǎn)換器的需求。最近IoT市場(chǎng)中新出現(xiàn)的市場(chǎng)之一是穿戴式電子產(chǎn)品市場(chǎng)，從能量采集的角度來(lái)看，這個(gè)市場(chǎng)區(qū)隔尤其令人感興趣。
當(dāng)然，穿戴式技術(shù)不僅因應(yīng)人類(lèi)需求，還有很多應(yīng)用是針對(duì)動(dòng)物的。最近出現(xiàn)的例子，包括電子馬鞍優(yōu)化及針對(duì)其他動(dòng)物的頸圈，這類(lèi)頸圈以各種方式完成追蹤、識(shí)別和診斷等任務(wù)。
不過(guò)，不管用于什么樣的應(yīng)用，這類(lèi)產(chǎn)品大多數(shù)都需要一塊電池來(lái)作為主電源，即使電池會(huì)以環(huán)境能源(如果有環(huán)境能源可用)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)充。
能量采集技術(shù)助力 環(huán)境能源發(fā)電可望實(shí)現(xiàn)
不過(guò)，針對(duì)人類(lèi)的應(yīng)用來(lái)看，似乎不久就會(huì)有可用不同形式的環(huán)境能源發(fā)電的穿戴式材料，這類(lèi)材料也許僅需要一個(gè)小型主電池來(lái)作為備份電源。這種免費(fèi)能源包括體溫產(chǎn)生能量、室內(nèi)照明甚至黃昏日光產(chǎn)生的光伏電源，以及日常身體移動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能。
稱(chēng)呼這類(lèi)制品的一個(gè)合適的詞也許是「電力套裝(Power Suits)」，而在此研發(fā)領(lǐng)域中，處于前鋒地位的公司正在實(shí)施歐盟資助的項(xiàng)目Dephotex，這家公司已經(jīng)有辦法制造重量夠輕、彈性夠好的穿戴式光伏材料。這種材料會(huì)將光能轉(zhuǎn)換成電能，而電能又可用來(lái)給使用者穿戴的各種電子設(shè)備供電，或者用來(lái)給主電池充電，甚至既供電又充電。
類(lèi)似地，在功率范圍的低端，對(duì)能量采集系統(tǒng)有著毫微功率轉(zhuǎn)換需求，例如IoT裝置(如Google Glass)中常見(jiàn)的能量采集(EH)系統(tǒng)，在這類(lèi)系統(tǒng)中，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉(zhuǎn)換IC。功率和電流可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安培。
最新和現(xiàn)成的能量采集技術(shù)，例如振動(dòng)能量采集產(chǎn)品及室內(nèi)或穿戴式光伏電池，在典型工作條件下產(chǎn)生毫瓦量級(jí)的功率。盡管這個(gè)量級(jí)的功率看似有限，但是能量采集組件在若干年內(nèi)的持續(xù)工作，可能意味著，無(wú)論從所提供的能量還是從單位能量的成本上來(lái)看，能量采集產(chǎn)品與長(zhǎng)壽命主電池都大致相同。
此外，采用能量采集技術(shù)的系統(tǒng)一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統(tǒng)卻做不到這一點(diǎn)。不過(guò)，大多數(shù)系統(tǒng)都會(huì)使用環(huán)境能源作為主電源，用主電池作為環(huán)境能源的補(bǔ)充，如果環(huán)境能源消失或中斷，就可以接入主電池。
提高功率密度 能量采集解決方案再進(jìn)化
當(dāng)然，能量采集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長(zhǎng)的時(shí)間。因此，能量采集電源的主要比較指針是功率密度，而不是能量密度。能量采集電源的可用功率一般很低、可變及不可預(yù)測(cè)，所以常常使用連接采集器和輔助電源的混合型結(jié)構(gòu)。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個(gè)儲(chǔ)存電容(甚至可能是超級(jí)電容)。
采集器由于能量供應(yīng)無(wú)限及功率不足而成為系統(tǒng)的能量源。輔助電力儲(chǔ)存庫(kù)或是電池或電容，產(chǎn)生較大的輸出功率，但儲(chǔ)存較少的能量，在需要時(shí)供電，否則定期從能量采集器接收電荷。因此，在沒(méi)有環(huán)境能源可供采集的時(shí)候，輔助電力儲(chǔ)存器必須用來(lái)為下游電子系統(tǒng)供電。
以凌力爾特為例，該公司推出的一些電源轉(zhuǎn)換IC具備了必要的功能和性能，使如此低的采集能量能夠用于IoT應(yīng)用。
該公司所推出的LTC3331是一款完整的EH調(diào)節(jié)解決方案，提供高達(dá)50mA的連續(xù)輸出電流，以在可采集能源可用時(shí)延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)所采集的能量為負(fù)載提供穩(wěn)定功率時(shí)，該組件不需電池提供電源電流，在無(wú)負(fù)載情況下用電池供電時(shí)，該組件僅需要950nA工作電流。同時(shí)，LTC3331整合了一個(gè)高壓能量采集電源和一個(gè)同步升降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器由可再充電主電池供電，為IoT裝置、穿戴式產(chǎn)品，以及無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)等能量采集應(yīng)用提供一個(gè)不間斷的輸出。
LTC3331的能量采集電源由全波橋式整流器組成，適合AC或DC輸入及高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器，從壓電(AC)、太陽(yáng)能(DC)或磁性組件(AC)能源采集能量。10mA分路器以所采集的能量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便的電池充電，同時(shí)低電池電量斷接功能可保護(hù)電池免于深度放電？稍俪潆婋姵貫橥缴祲恨D(zhuǎn)換器供電，該轉(zhuǎn)換器在1.8V至5.5V的輸入范圍內(nèi)工作，在采集的能量不可用時(shí)用來(lái)調(diào)節(jié)輸出而無(wú)論輸入高于、低于或等于輸出。在因應(yīng)微功率電源時(shí)，LTC3331電池充電器擁有十分重要、不容忽視的電源管理功能。
LTC3331納入了對(duì)電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量采集電源有多余能量時(shí)才給電池充電。如果沒(méi)有這種邏輯控制功能，能量采集電源就會(huì)在啟動(dòng)時(shí)卡在某個(gè)非最佳工作點(diǎn)上，而不能完成啟動(dòng)，無(wú)法為目標(biāo)應(yīng)用供電。
當(dāng)采集的能源不再可用時(shí)，LTC3331自動(dòng)轉(zhuǎn)換到電池。這帶來(lái)了一個(gè)額外的好處，如果適合的能量采集電源至少在一半時(shí)間內(nèi)可用，就允許電池供電的WSN將工作壽命從10年延長(zhǎng)至超過(guò)20年，如果能量采集能源更加普遍存在，那么壽命甚至能夠延長(zhǎng)至更長(zhǎng)時(shí)間。該組件還整合了一個(gè)超級(jí)電容平衡器，因此允許增大輸出儲(chǔ)存量。
低功率為穿戴式組件設(shè)計(jì)重點(diǎn)
既然穿戴式裝置采集的能量非常低(在納安至毫安量級(jí))，那么當(dāng)務(wù)之急，是任何DC-DC轉(zhuǎn)換都要消耗盡可能少的功率，以確保最佳能量傳輸。為了實(shí)現(xiàn)此一嚴(yán)格的目標(biāo)，DC-DC轉(zhuǎn)換器本身必須消耗納安量級(jí)的電流；诖艘辉，凌力爾特推出了LTC3335，該產(chǎn)品為毫微功率升降壓 DC-DC轉(zhuǎn)換器，其整合了庫(kù)侖計(jì)數(shù)器，以因應(yīng)WSN中的IoT產(chǎn)品、穿戴式裝置，以及通用能量采集應(yīng)用(圖1)。
圖1 LTC3335毫微功率升降壓轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用原理圖
LTC3335為一款高效率、低靜態(tài)電流(680nA)轉(zhuǎn)換器，其整合的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器可監(jiān)視長(zhǎng)壽命電池供電應(yīng)用的電池累計(jì)放電量。這個(gè)計(jì)數(shù)器在內(nèi)部緩存器中儲(chǔ)存電池的累計(jì)放電量數(shù)字，該緩存器可透過(guò)I2C接口存取。升降壓轉(zhuǎn)換器的輸入可在低至1.8V時(shí)工作，提供八個(gè)接腳可選輸出電壓，輸出電流高達(dá)50mA，適合多種類(lèi)型和尺寸的電池。該產(chǎn)品峰值輸入電流的選擇范圍可從低至5mA到高達(dá)250mA，滿(mǎn)標(biāo)度庫(kù)侖計(jì)數(shù)器的可編程范圍為32768:1。
無(wú)論何時(shí)，只要升降壓轉(zhuǎn)換器向負(fù)載提供電流，該組件整合的精準(zhǔn)庫(kù)侖計(jì)數(shù)器就會(huì)記錄從電池傳送出的累計(jì)電荷量。當(dāng)未處于休眠模式時(shí)，升降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)因應(yīng)所有電池和輸出電壓情況而作為H橋工作(圖2)。
圖2 LTC3335以H橋模式工作時(shí)的定時(shí)圖
開(kāi)關(guān)A和C在每個(gè)突發(fā)周期開(kāi)始時(shí)導(dǎo)通。電感電流斜坡上升至Ipeak，然后開(kāi)關(guān)A和C斷開(kāi)。接著，開(kāi)關(guān)B和D導(dǎo)通，直到電感電流斜坡下降至零為止。這個(gè)周期一直重復(fù)，直至Vout達(dá)到休眠門(mén)坎為止。如果Ipeak和開(kāi)關(guān)AC(ON)時(shí)間(tAC)都是已知的，那么BAT放電庫(kù)侖量(圖2中的陰影區(qū)域)可以透過(guò)對(duì)AC(ON)周期計(jì)數(shù)并乘以每個(gè)AC(ON)期間的電荷量來(lái)計(jì)算，每個(gè)AC(ON)期間的電荷量由以下公式所示：
qAC(ON)=(Ipeak×tAC)/2
當(dāng)升降壓轉(zhuǎn)換器工作時(shí)，LTC3335測(cè)量相對(duì)于滿(mǎn)標(biāo)度ON時(shí)間(tFS，約為11.74μs)的實(shí)際AC(ON)時(shí)間，滿(mǎn)標(biāo)度ON時(shí)間是由內(nèi)部調(diào)節(jié)的，以補(bǔ)償電源、溫度和制程變化導(dǎo)致、實(shí)際選定的Ipeak值的誤差。如此便可針對(duì)電池在每個(gè)AC(ON)周期傳送出的電荷量產(chǎn)生非常準(zhǔn)確的「測(cè)量值」。
顯然，將會(huì)有眾多的WSN、穿戴式產(chǎn)品，以及IoT產(chǎn)品需要毫微功率DC-DC轉(zhuǎn)換和庫(kù)侖量計(jì)算，以確保這些產(chǎn)品的最佳性能和壽命。
不過(guò)，直到不久前，這類(lèi)轉(zhuǎn)換產(chǎn)品才上市，而凌力爾特也為毫微功率產(chǎn)品設(shè)計(jì)者提供了大量可供選擇的轉(zhuǎn)換解決方案。
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2017-09-05
