有關(guān)微型能源采集技術(shù)的關(guān)鍵應用問(wèn)題及解決方案

另外，也可以考慮使用一個(gè)以上的電源轉換器。圖3所示的同步整流器電路雖不能提供穩定的電源，但它是對向另一個(gè)效率更高的電源轉換器的定期發(fā)送高功率脈沖的電容，進(jìn)行充電的良好解決方案。這個(gè)效率更高的轉換器負責處理應用電路所需的信號調節。

圖 3：同步整流器電路。

在一些應用中，另一種柵極電荷操作(即使用電壓源柵極電荷電路)可大大提高效率。這種方法可將電路中的幾個(gè)晶體管從小到大進(jìn)行排列(如圖4所示)。

圖4：晶體管寬度轉換帶來(lái)的效率優(yōu)勢。

伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設計的電路也可以自動(dòng)檢測功耗，并同時(shí)可采用適當尺寸和數量的晶體管來(lái)保持高效率。較高值的晶體管可在高功率情況下使用，當系統以待機功率水平運行時(shí)，可采用較小的晶體管。圖4顯示了這種方案比不按晶體管尺寸進(jìn)行優(yōu)化的方案更具有優(yōu)勢。

在實(shí)施上述方案時(shí)應記住，設計最高效的轉換器可產(chǎn)生最多能量的傳統功率轉換方式并不總是適用于微型能量采集。應將對整個(gè)系統的能量輸出進(jìn)行優(yōu)化作為追求的目標。有時(shí)，這意味著(zhù)設計方案并不以系統各部分均達到最高效率為目標。

對IC的判定選擇

設計人員必須清楚其選擇 IC 技術(shù)的含義。至少在潛意識中，每個(gè)人都意識到高級技術(shù)節點(diǎn)能生產(chǎn)出更高效率的半導體器件。在常規電路設計中，常常會(huì )忽視這種差別，因為亞微米器件的成本優(yōu)勢被認為超過(guò)其效率所帶來(lái)的優(yōu)勢。微型能量采集應用改變了這個(gè)規則。

比如，對于早期能量采集應用，伊利諾伊斯大學(xué)厄巴納香檳分校設計的小型電源轉換器通過(guò)采用1.5μm工藝和8μm電感器構建的IC可實(shí)現53%的效率。在考慮如何改進(jìn)轉換器時(shí)，對于采用不同工藝技術(shù)和電感器尺寸的各種組合可能達到的不同效率，設計小組進(jìn)行了計算。

圖5顯示了計算結果。根據計算，最先進(jìn)的技術(shù)組合(采用銅互連技術(shù)的0.25μm工藝技術(shù)與25μm感應器)可實(shí)現81%的效率。此外，圖5也顯示了在哪些地方可避免損耗。

圖 5：采用高級 IC工藝技術(shù)可顯著(zhù)提升效率。

應用的其他部分也需要采用高級工藝技術(shù)的IC，包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平臺就是一個(gè)很好的例子，該MCU在工作狀態(tài)的功耗僅為160uA/MHz，在待機狀態(tài)的功耗還不到500nA。此外，TI提供的器件還可在緊湊的單芯片設計中，將TI超低功耗MCU與高度靈活的射頻 (RF)收發(fā)器結合在一起，以實(shí)施無(wú)需線(xiàn)纜或電池即能檢測并報告工廠(chǎng)、汽車(chē)、辦公室、家庭以及其他環(huán)境中緊急情況的環(huán)境感知智能。例如，AdaptivEnergy的免電池Joule-Thief技術(shù)與完美結合的TI MSP430微處理器、RF以及eZ430-RF2500開(kāi)發(fā)套件，可實(shí)現多領(lǐng)域環(huán)境智能。圖 6 給出了 Joule-Thief 系統方框圖。

圖 6：Joule-Thief技術(shù)的系統方框圖。

實(shí)現微觀(guān)層面的能量采集以及最大程度的節能，為工程師提供了新的發(fā)展空間，同時(shí)也提出了許多嚴峻挑戰。戰勝這些挑戰將帶來(lái)諸多益處，包括可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)“永續”電子設備、降低系統生命周期成本、減少產(chǎn)品的環(huán)境影響等。令人振奮的是，現在工具已準備就緒，可隨時(shí)啟動(dòng)開(kāi)發(fā)工作。

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