摘要：本文介紹了基于最新半導(dǎo)體器件提供極低的靜態(tài)電流和一種高效率能量收集解決方案，使分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)更易于部署。傳感器現(xiàn)在可以用在遠(yuǎn)程地點(diǎn)，而無(wú)需擔(dān)憂電池壽命。

關(guān)鍵詞：能量收集器；無(wú)線傳感器；電能收集；Linear

低功率技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)步使得在多種應(yīng)用中建立無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)變得更加容易，如遠(yuǎn)端取樣、HVAC監(jiān)視、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。問(wèn)題是，甚至無(wú)線傳感器也需要定期更換的電池、而這是一項(xiàng)昂貴和復(fù)雜的維護(hù)任務(wù)。一種較好的無(wú)線電源解決方案是從傳感器所在環(huán)境收集機(jī)械、熱或電磁能。

一般情況下，可收集的環(huán)境能量在數(shù)十mW，因此能量收集需要仔細(xì)的功率管理，以成功獲取數(shù)mW的環(huán)境能量，并將其存儲(chǔ)在一個(gè)可使用的能量庫(kù)中。一種常見(jiàn)的環(huán)境能源是機(jī)械振動(dòng)能，這種能量由工廠中運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇葉片上的氣流、甚至行駛的車輛產(chǎn)生。壓電換能器可用來(lái)將這種振動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，電能再用來(lái)給電路供電。

為了管理能量收集和能量向系統(tǒng)的釋放，LTC3588-1壓電能量收集電源(圖1)集成了一個(gè)低損耗內(nèi)部橋式整流器和一個(gè)同步降壓型DC／DC轉(zhuǎn)換器。該裝置運(yùn)用一種高效的能量收集算法以收集和存儲(chǔ)來(lái)自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十μA的短路電流。

能量收集系統(tǒng)常常必須支持比壓電器件能產(chǎn)生的電流高得多的峰值負(fù)載電流，因此LTC3588-1能夠積累能量，然后再以短的能量突發(fā)向負(fù)載釋放能量。當(dāng)然，就連續(xù)運(yùn)行而言，這類突發(fā)能量必須以低占空比提供，以便在突發(fā)期間總的輸出能量不超過(guò)在能量積累周期中所累積的平均電源能量?！獋€(gè)以固定時(shí)間間隔進(jìn)行測(cè)量、并在兩次測(cè)量之間發(fā)送數(shù)據(jù)并斷電的傳感器系統(tǒng)是能量收集解決方案的首選。

能量收集的關(guān)鍵是低靜態(tài)電流

能量收集過(guò)程依賴低靜態(tài)電流能量積累階段。LTC3588-1通過(guò)欠壓閉鎖(UVLO)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到1mA的靜態(tài)電流。UVLO模式允許在一個(gè)輸入電容器上積累電荷，直到內(nèi)部降壓型轉(zhuǎn)換器能夠高效率地將部分存儲(chǔ)的電荷傳送到輸出為止。

圖2顯示了UVLO靜態(tài)電流曲線，該曲線是隨V_IN單調(diào)變化的，因此一個(gè)低至700hA的電流源就可以將輸入電容器充電至UVLO的上升門限，從而產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的輸出。一旦達(dá)到穩(wěn)定，LTC3588-1就進(jìn)入休眠狀態(tài)，在這狀態(tài)下，輸入和輸出靜態(tài)電流都是最小的。例如，在V_IN=4.5V，輸出穩(wěn)定時(shí)，靜態(tài)電流僅為950nA。然后降壓型轉(zhuǎn)換器按照需要接通和斷開(kāi)，以保持穩(wěn)定。在休眠模式和LTVLO模式，低靜態(tài)電流都允許在輸入電容器庫(kù)中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

當(dāng)VV_IN達(dá)到UVLO上升門限時(shí)，集成的高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器接通，并開(kāi)始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩(wěn)壓器運(yùn)用一種遲滯電壓算法，通過(guò)來(lái)自V_OUT檢測(cè)引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。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高達(dá)250mA，然后再通過(guò)一個(gè)內(nèi)部NMOS開(kāi)關(guān)使該電流斜坡下降至零，憑借這一過(guò)程，該降壓型穩(wěn)壓器通過(guò)一個(gè)電感器將輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點(diǎn)的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

如果在輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定之前，輸入電壓下降至低于UVLO下降門限，那么降壓型轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于UVLO上升門限為止。這期間，VOUT檢測(cè)引腳上的泄漏不高于90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩(wěn)壓器切換時(shí)所達(dá)到的值。圖3顯示一個(gè)由2μA電流源充電的LTC3588-1典型啟動(dòng)波形。

當(dāng)同步降壓型穩(wěn)壓器使輸出電壓進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)，該轉(zhuǎn)換器進(jìn)入低靜態(tài)電流休眠狀態(tài)，該狀態(tài)用休眠比較器監(jiān)視輸出電壓。在這種運(yùn)行模式時(shí)，負(fù)載電流由降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電容器提供。當(dāng)輸出電壓下降至低于穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)，該降壓型穩(wěn)壓器醒來(lái)，重復(fù)上述周期。這種提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與FET切換有關(guān)的損耗，并使在非常輕的負(fù)載時(shí)進(jìn)行高效率調(diào)節(jié)成為可能。

該降壓型轉(zhuǎn)換器正在切換時(shí)，提供高達(dá)100mA的平均負(fù)載電流。1.8V、2.5V、3.3V和3.6V這4個(gè)輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無(wú)線發(fā)送器供電。圖4顯示在穩(wěn)定和休眠時(shí)極低的靜態(tài)電流，這允許在輕負(fù)載時(shí)高效率運(yùn)行。盡管切換時(shí)降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流遠(yuǎn)高于休眠靜態(tài)電流，但是它在負(fù)載電流中所占百分?jǐn)?shù)仍然很小，從而在多種負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)了高效率(圖5)。

降壓型轉(zhuǎn)換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時(shí)才工作，它以短突發(fā)將能量傳送到輸出，短突發(fā)所用時(shí)間遠(yuǎn)短于積累能量所需的時(shí)間。當(dāng)降壓型轉(zhuǎn)換器工作時(shí)的靜態(tài)電流在整個(gè)積累／突發(fā)周期中平均時(shí)，平均靜態(tài)電流非常低，從而非常容易提供收集少量環(huán)境能量的電源。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)極低的靜態(tài)電流允許LTC3588-1在負(fù)載不到100μA時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率。

獲得振動(dòng)能量

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InA，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。這允許壓審器件“接管”并為L(zhǎng)TC3588-1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L(zhǎng)TC3588－1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。

LTC3S88-1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。