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低功率转换为能量收集

发布时间:2020-12-01 发布时间:
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有大量的环境能源在美国和能量收集的传统方法在世界各地已经通过太阳能电池板和风力发电机。然而,新的捕捞工具使我们能够从各种各样的环境资源产生电能。此外,它不是很重要的电路的能量转换效率,但更多的“平均收获”能量可用来驱动它的量。例如,热电发生器将热能转换为电能,压电元件将机械振动,光伏将太阳光(或任何光子源)和电疗法防潮转换能量。这使得有可能提供动力远程传感器,或者一个存储装置充电,例如一个电容器或薄膜电池,使得微处理器或发射机可以从远程位置供电,而不一个本地电源。

然而,它在功率谱,其中,在无线传感器网络(WSN)和传感器毫微功率转换正变得越来越普遍的“低”端,即需要进行功率转换IC可与功率和电流的非常低的水平工作是必要的。这些通常是几十电流的微瓦和纳安的分别。然而,这样的功率转换产品,包括电池充电器,在操作的可用性低于1μA的电流都极为有限。

概括地说,根据需要包含在这些应用中必要的集成电路的性能特征包括以下:

低待机静态电流 - 通常比6μA以下,低至450 nA的

低启动电压 - 低至20毫伏

高输入电压能力 - 高达34 V连续40 V瞬态

能够处理交流输入

多种输出能力和自治系统电源管理

最大功率点控制(MPPC)太阳能输入

紧凑的解决方案与足迹最少的外部元件

无线传感器网络基本上包括某种换能器的环境能量源转换成电信号,之后通常通过DC / DC转换器和管理器供给下游电子与正确的电压电平与当前的自包含的系统。下游电子电路由一个微控制器,传感器和收发器的。

当试图实现无线传感器网络,一个很好的问题要考虑的是:多大的权力是必要的操作呢?从概念上讲这似乎相当简单;然而,在现实中却是有点困难,因为许多因素。举例来说,一个不读书需要多么频繁采取?或者,更重要的是,如何将大数据包是多少权力是需要的要发送的?这是由于收发信机消耗为单个传感器读数和传输系统所用的能量的大约50%。有几个因素会影响一个能量收集系统或无线传感器网络的功耗特性,它们都需要被考虑在内。

当然,由能量收集源提供的能量取决于源多久可用。因此,主要指标的清理源比较的功率密度,而不是能量密度。能量收集是一般受到低,可变的和不可预测水平的可用功率,所以一个混合结构,它连接到收割机和次级电力存储器经常被使用。因为在功率其无限的能源供应和不足的收割机,是该系统的能量源。次级电力存储器,无论是电池或电容器,产生更高的输出功率,但存储较少的能量,在必要时,但以其他方式定期从收割机接收充电供电。因此,在情况下,当不存在环境能量从中收获功率,二次电源储存必须用于无线传感器网络供电。当然,从系统设计人员的角度看,这增加了复杂性的进一步的程度,因为它们现在必须考虑到多的能量必须如何存储在第二储存器,以补偿不足的环境能量源。

很显然,无线传感器网络必须提供使用时的能量非常低的水平。这,反过来,这意味着在系统中使用的部件必须能够处理这些低功率水平。而这已经达到与收发器和微控制器,在等式的功率转换和电池充电侧一直存在的空隙。不过,凌力尔特开发了LTC3388-1 / -3和LTC4071,专门解决这些需求。

该LTC3388-1 / -3是一个20 V输入能够同步降压转换器,可以提供高达连续输出电流50毫安3毫米×3毫米(或MSOP10-E)封装 - 见图1。它工作于输入电压范围为2.7 V至20 V,因此非常适合广泛的能量收集和电池供电的应用,包括“保持活跃”,传感器和工业控制电源。

凌力尔特LTC3388-1图片/ -3典型应用电路图

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图1:LTC3388-1 / -3典型应用电路图

该LTC3388-1 / -3利用迟滞同步整流以优化效率在宽负载电流范围内。它可以提供超过90%的效率为负载从15微安到50mA,只需要400 nA的静态电流,从而使其能够提供更长的电池寿命,其中一个被用于辅助电源。

该LT3388-1 / -3集成了一个精确的欠压锁定(ULVO)功能,当输入电压低于2.3 V,静态电流降低到只有400 nA的禁用该转换器。一旦在调节(在无负载时),则LTC3388-1 / -3进入睡眠模式,以尽量减少的静态电流到只有720 nA的。降压转换器然后接通,并根据需要来维持输出调节关闭。另外一个备用模式会禁用切换,而输出是用于调节时间短负载,如无线调制解调器,需要低纹波。这种高效率,低静态电流的设计非常适用于能量采集,这需要很长的周期充电伴随短脉冲负载供电的传感器和无线调制解调器。

很多时候,电池用作无线传感器网络辅助备用电源;但是,如何将其从低电源充电的设计挑战不是微不足道的。 Linear公司的LTC4071是并联电池充电器系统,包括集成的电池保护和低电池断开功能,以保护低容量电池的损害,由于自放电。这是一个简单而复杂的充电器和保护锂离子/聚合物电池。其超低的550 nA的工作电流支持从以前不能使用的非常低电流,间歇或连续充电电源,例如,从能量收集应用提供充电。一个内部电池热量查验器降低浮置电压,以保护锂离子/聚合物电池,纽扣电池或薄膜电池在电池温度升高。坐落在一个低调的8引线2毫米x 3毫米DFN封装,LTC4071的提供,只需串联在输入电压需要一个外部电阻一个完整和超紧凑的充电器解决方案。

即使便携式应用和能量采集系统具有宽范围功率电平的正确的操作,从微瓦到大超过1瓦,有由系统设计者可用于选择许多功率转换IC。但是,它是在功率范围,其中该水平落入该选择变得有限的毫微功率电平的下端。

幸运的是,电源转换和电池充电可用于设计师从具有小于一个微安静态电流来选择,以延长电池寿命的低功率传感器保活电路和新一代无线传感器网络的解决方案。



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