緊湊型太陽(yáng)能電池板利用創(chuàng )新性能量收集技術(shù)

1  背景信息
     我們周?chē)教幎际悄芰?，它們以熱、光、電流甚至機 電能的形式存在。不過(guò)，人們常常發(fā)現，這些能源提供的能 量太少了，無(wú)法為任何實(shí)際用途連續提供充足的功率。實(shí)際 上，直到不久前，除了太陽(yáng)能和地熱能，一直無(wú)法從其他形 式的能源中獲得充足的能量來(lái)執行任何有用的功能。能量收 集是從一種或多種自然存在的能源中收集微量能量、然后把

圖1 LTC3106 采用太陽(yáng)能電池板或主電池為下游負載連續供電    

圖2 配置為太陽(yáng)能收集器、具主電池備份電源、給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)供電的 LTC3106
收集到的能量累積或存儲起來(lái)以備之后使用的過(guò)程。能量收
集設備可以高效采集、累積、存儲、調節和管理環(huán)境能量，
而且所用調節方式適合將這類(lèi)能量用于執行有用的功能。
最近的技術(shù)進(jìn)步提高了從自然環(huán)境中獲得微量能量并 將其轉換成電能的效率。此外，轉換器技術(shù)的進(jìn)步不僅提高 了電源轉換效率，還降低了轉換器的內部功耗。這些進(jìn)步激 發(fā)了工程界的興趣，促使他們開(kāi)發(fā)出更多利用能量收集技術(shù) 的應用。
在遠程應用的部署中，從根本上不可能耗盡的自然環(huán) 境能源中收集能量替代有線(xiàn)電源或電池，日益成為一種備受
關(guān)注的供電方式。自然能源從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是免費能源，如果得到恰當利用，不僅無(wú)需維護，而且在很多應用的生命周期
中始終可用。
另外，能量收集可以用于輔助能源以補充電池等主電 源，從而極大地延長(cháng)了電池壽命，降低維護費用。

2 能量收集應用
現在有很多應用將能量收集電源作為主電源使用。例如，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò ) (WSN) 常常受益于能量收集電源。如
果在一個(gè)偏遠地點(diǎn)部署無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，有線(xiàn)電源或電池或者不夠 可靠或者不可用，那么就可用收集的能量提供節點(diǎn)運行所需 功率。在其他一些情況下，多種能源選擇可以提高系統的總 體效率和可靠性。
一些較常見(jiàn)的可收集能量包括：
? 機械能 – 來(lái)自振動(dòng)、機械壓力和應變力；
?  熱能 – 爐子、加熱器、馬達和摩擦運動(dòng)等浪費的能 量；
? 光能 – 通過(guò)光電二極管或太陽(yáng)能電池從太陽(yáng)光或室內
照明中獲得的能量；
? 電磁能 – 來(lái)自電感器、線(xiàn)圈和變壓器；
? 自然環(huán)境中的能量 – 來(lái)自風(fēng)、水流、洋流、電流和太 陽(yáng)；
? 人體能量 – 通過(guò)運動(dòng)等產(chǎn)生的機械能和熱能；
? 其他能量 – 來(lái)自化學(xué)和生物源。
需要提到的重要一點(diǎn)是，幾乎所有這些能源都不受限 制，且本質(zhì)上是免費的，只要在系統部署位置或系統部署位 置附近能夠獲得就行。
典型的能量收集系統需要諸如振動(dòng)、熱量或光等能源

圖3    在可變光照情況下測得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲線(xiàn)  

圖4   圖2原理圖的應用負載曲線(xiàn)

以及一些關(guān)鍵電子組件，包括：
? 能量轉換設備 (換能器)，例如壓電組件或太陽(yáng)能電池 板，可將環(huán)境能源轉換成電能；
? 能量收集轉換 IC 以獲得、存儲和管理電能；
?  傳感器、微控制器和收發(fā)器，作為  WSN 的組成部分 以讀取、記錄和傳送數據；
? 可選的補充性能量存儲設備，例如薄膜型主電池或超 級電容器。
很重要的一點(diǎn)是，電源轉換設備需要有很高的效率和 很低的靜態(tài)電流，這樣大部分收集的能量才能用于給傳感器 網(wǎng)絡(luò )或控制電路供電，或者用來(lái)監視設備。此外，必須了解可收集能源能夠提供多大的平均功率，以及給特定設備供電
需要多少能量 (工作占空比)。


3 能量收集 IC 解決方案
幸運的是，為了處理、存儲和使用收集的能量，凌力 爾特提供了幾款能量收集器件。LTC3106 是其中之一，這 是一款高集成度、超低電壓降壓-升壓型 DC/DC 轉換器， 具備為多種輸入能源和低功率系統而優(yōu)化的自動(dòng)電源通路 (PowerPath) 管理功能。如果主電源不可用， LTC3106 就無(wú) 縫地切換到備份電源，且與可再充電電池 或主電池兼容，無(wú)論何時(shí)，只要有剩余能 量可用，就可以給備份電池涓流充電。如 果使用的輸入能源是光源，那么可選最大 功 率 點(diǎn) 控 制 功 能 優(yōu) 化 電 源 和 負 載 之 間 的 功率傳送。在無(wú)負載時(shí)，LTC3106 僅消耗
1.6μA 電流，并能從任何輸入能源產(chǎn)生高 達 5V 的輸出電壓。圖  1 顯示了一個(gè)典型的 原理圖。
LTC3106 采用電源通路 (PowerPath?)控制架構，允許使用單個(gè)電感器，通過(guò)在 兩個(gè)電源輸入之間無(wú)縫轉換，產(chǎn)生用戶(hù)可 選和固定的穩定輸出電壓。如果輸入電源 (VIN) 可用，降壓-升壓型穩壓器就用 VIN 工 作，向負載提供高達 300mA 的電流。如果 VIN 不可用，穩壓器選擇 VSTORE/VCAP 作為其 輸入，向負載提供高達  50mA 的電流。如果用可再充電電池作為備份電源，那么還提供小電流再充電電源通路，從而允許在 輸出電壓處于穩定狀態(tài)時(shí)，用多余的輸入能量給備份電源充 電。用戶(hù)可選擇不同的充電 / 放電門(mén)限適用于多種化學(xué)組成 的電池，可防止過(guò)度充電 / 深度放電保護電池。當主電池用 作備份電源時(shí)，充電可以通過(guò)PRI從外部禁止。
在沒(méi)有備份電源時(shí)，主輸入電壓  VIN 可配置為在 850mV 至 5.1V 電壓范圍內工作，有備份電源時(shí) (例如主電池) 則配 置為在 330mV 至 5.1V 范圍內工作。這樣的范圍適合多種類(lèi) 型的電源，包括高阻抗電源 (例如小型太陽(yáng)能電池板)。為了 確保獲得最大功率，LTC3106 集成了一個(gè)準確的 RUN 引腳 和可選最大功率點(diǎn)函數。二者均可用來(lái)控制穩壓器接通點(diǎn)，
使其位于輸入電源的最大功率點(diǎn)上。對于較高功率的輸入電源而言，準確的 RUN 引腳函數非常適合用來(lái)將可預測的穩
壓器接通點(diǎn)設定到特定輸入電壓上。
如果由可收集能量提供的輸入電壓消失了，主電池或 輔助電池可從 VSTORE 連接至 GND，以給系統供電。如果電 池可再充電，將從這個(gè)引腳向電池涓流充電，直至達到最高 可選電壓。LTC3106 可由兩個(gè)輸入電壓源之一啟動(dòng)，優(yōu)先選擇 VIN
。最初在同步整流器被禁止的情況下對VAUX充電，一旦 VAUX 達到最終電壓，輸出電壓也開(kāi)始異步充電，直至  VOUT 達到 約 1.2V。然后，轉換器退出異步模式，以支持更高效的同步 啟動(dòng)模式，直至 VOUT  處于穩定狀態(tài)，器件進(jìn)入正常工作模 式為止。VAUX 充電時(shí)輸出電壓也會(huì )上升。主輸出電壓是用戶(hù) 設定的，可設定為 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 任意一個(gè)預置穩 定電壓。


4 設計實(shí)例
在僅由電池供電的傳統型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中，主控制單 元 (MCU) 直接連接到電池。在這類(lèi)應用中，有幾種因素導 致電池容量減小。一般而言，這類(lèi)無(wú)線(xiàn)系統以非常低的頻率 輪詢(xún)節點(diǎn)，空閑階段功率非常低，偶爾需要與該節點(diǎn)通信 時(shí)，會(huì )有一些大電流脈沖。有脈沖負載時(shí)，峰值電流可能遠 遠大于電池制造商給出的標稱(chēng)漏電流，從而使電池容量減小 到在典型靜態(tài)漏電流情況下所規定的值以下。此外，就大多 數 MCU (典型最小值為 2V) 而言，可用輸入電壓限制了可用 電池容量。
圖2所示應用電路顯示了與  AM-1816 太陽(yáng)能電池板連 接的 LTC3106，其總體尺寸為  9.8cm x 5.7cm (胸卡大小)， CR2032 主電池起補充作用，該應用電路配置為向脈沖負載 輸出供電。盡管能量收集系統可能無(wú)需電池，但是電池可以 起到補充作用，而且壽命得以延長(cháng)。當有充足的環(huán)境能源可 用時(shí)，就不給電池加載，僅當環(huán)境能源不足以帶動(dòng)負載時(shí)， 才啟用電池。這不僅延長(cháng)了電池壽命，從而提高了可靠性， 同時(shí)還降低了維護成本。
LTC3106 的主輸入電壓 (VIN) 范圍很寬，可以滿(mǎn)足高阻 抗太陽(yáng)能電池的各種需求。太陽(yáng)能電池按照輸出功率、所用 材料 (晶體硅、無(wú)定形硅、化合物半導體等) 和應用環(huán)境 (室 內或室外照明) 進(jìn)行分類(lèi)。三洋電機的 Amorton 產(chǎn)品線(xiàn) (松 下一個(gè)子公司的產(chǎn)品) 提供了多種太陽(yáng)能電池，以滿(mǎn)足各種照明條件 (參見(jiàn)表 1，了
解典型照明條件)、功率 大小以及針對特定應用 的尺寸和形狀定制電池 的要求。
A M- 1 8 1 6 板 的 I -V和 P-V 曲線(xiàn)如圖 3 所示。電池的最大功率 (PMAX) 隨光照強弱 而變化，但是 PMAX 點(diǎn)上的電壓波動(dòng)輕微。在這個(gè)應用實(shí)例 中，VIN  門(mén)限電壓用 RUN 引腳上的電阻分壓器設定為等于 PMAX 點(diǎn)上的電壓。輸入電壓上升的 UVLO 門(mén)限 VIN(OV) 設定為
4.2V。由于內部遲滯， VIN(UV) 為 3.8V，從制造商提供的有關(guān) AM-1816 太陽(yáng)能電池的  I-V 和 P-V 數據看，最大功率點(diǎn)上的 平均 VIN 電壓約為 4V。

就這個(gè)應用而言，負載是低功率  RF 設備，其負載曲線(xiàn) 如圖 4 所示。工作區、輸出和功耗如表2所示，表中還列出 了每個(gè)工作狀態(tài)下的峰值電流。
在上述負載曲線(xiàn)下， LTC3106 總平均功耗為 37μW，電 阻分壓器的功耗為 5μW，總平均功率為165μW，所以，總的 輸入功率需求為 207μW。計算得出的平均效率 (包括電阻分 壓器在內) η = 165μW/207μW = 80%。200 流明時(shí) AM-1816 的 可用功率約為  400μW。在約為 80% 的轉換器效率下，它給 總功率需求為  207μW 的負載供電有一定的裕度，無(wú)需從電 池汲取電流。如果光照條件變差，那么可用輸入功率也許會(huì ) 降至低于保持輸出電壓所需的值。這時(shí)，LTC3106 會(huì )以“打 嗝”模式工作，在  VIN 升至高于 4.2V 時(shí)接通，降至低于  3.8V 時(shí)斷開(kāi)。當 VIN 斷開(kāi)時(shí)，就用 VSTORE (主電池) 供電，直至 VIN 恢復并升至高于  4.2V 門(mén)限為止。如果光照條件變得更加有 利，VIN 會(huì )升至能量收集電源的開(kāi)路電壓，并再次提供所有 負載功率。

5  結論
即使有些能量收集電源僅能提供很低的可用功率 (如本 文所示胸卡大小的太陽(yáng)能電池設計實(shí)例)，但它們足以滿(mǎn)足 大多數無(wú)線(xiàn)傳感器的供電需求。LTC3106 降壓-升壓型 DC/ DC 轉換器針對低功率系統中常見(jiàn)的多種輸入電源而優(yōu)化， 為多種能量收集應用提供必要的功能。因此，諸如 WSN 等 能量收集系統設計師現在有了有用和恰當的電源轉換 IC， 可極大地簡(jiǎn)化設計任務(wù)了。