小型光伏電池在能量收集中的應用

　　新興的毫微功率無(wú)線(xiàn)傳感器應用

　　就樓宇自動(dòng)化而言，諸如占有傳感器、溫度自動(dòng)調節器和光控開(kāi)關(guān)等系統能夠免除通常所需的電源或控制線(xiàn)路，而代之以一個(gè)機械或能量收集系統。除了可以免除首先進(jìn)行線(xiàn)路安裝（或在無(wú)線(xiàn)應用中定期更換電池）的需要之外，這種替代方法還能減低有線(xiàn)系統往往存在的例行維護成本。

　　類(lèi)似地，運用能量收集技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能夠將一幢建筑物內任何數目的傳感器鏈接到一起，以通過(guò)在建筑物內無(wú)人居住時(shí)關(guān)斷非緊要區域的供電來(lái)降低采暖、通風(fēng)和空調（HVAC）以及照明成本。

　　典型的能量收集配置或無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由4個(gè)模塊組成（見(jiàn)圖1）。它們是：1、一個(gè)環(huán)境能量源，比如：太陽(yáng)能電池；2、一個(gè)用于給節點(diǎn)的其余部分供電的功率轉換組件；3、一個(gè)將節點(diǎn)鏈接到現實(shí)世界的感測組件以及一個(gè)計算組件（由微處理器或微控制器組成，負責處理測量數據并將這些數據存貯到存儲器中）；4、一個(gè)由短程無(wú)線(xiàn)單元組成的通信組件，用于實(shí)現與相鄰節點(diǎn)及外部世界的無(wú)線(xiàn)通信。

　　環(huán)境能量源的實(shí)例包括連接到某個(gè)發(fā)熱源（例如：HVAC管道）的熱電發(fā)生器（TEG）或熱電堆，抑或是連接至某個(gè)機械振動(dòng)源（如：窗玻璃）及太陽(yáng)能電池的壓電換能器。在存在發(fā)熱源的情況下，緊湊的熱電器件（常被稱(chēng)為“換能器”）能夠將很小的溫差轉換為電能。而當存在機械振動(dòng)或應變時(shí)，則壓電器件能夠用來(lái)把很小的振動(dòng)或應變差轉換為電能。最后，在存在光源的場(chǎng)合中，光伏電池在峰值日照條件下每平方厘米的面積能產(chǎn)生50W以上的電功率，而在室內照明條件下則可產(chǎn)生高達100μW的電功率。

　　一旦電能產(chǎn)生出來(lái)，就可以由一個(gè)能量收集電路進(jìn)行轉換并調整為合適的形式，用于給下游電子組件供電。因此，一個(gè)微處理器可以喚醒一個(gè)傳感器，以獲取讀數或測量值，然后讀數或測量值可利用一個(gè)模數轉換器加以處理，以通過(guò)一個(gè)超低功率無(wú)線(xiàn)收發(fā)器進(jìn)行傳輸。

　　該鏈路中的每個(gè)電路模塊迄今都受到一些特殊的限制，從而影響了它們在商業(yè)中的應用。低成本和低功率傳感器及微控制器面市已有一段時(shí)間，而超低功率收發(fā)器只是到最近才可實(shí)現與微控制器的集成（以提供非常低功率的無(wú)線(xiàn)連接）。不過(guò)，該鏈路中所欠缺的一直是能量收集IC。

　　現有的能量收集器/管理器模塊實(shí)現方案往往采用性能相對較低的分立型結構，通常包括30個(gè)或更多的組件。此類(lèi)設計具有低轉換效率和高靜態(tài)電流。這兩個(gè)缺陷均導致需要使用較大和更加昂貴的電池及太陽(yáng)能電池，因而損害了最終系統的性能。如果不采用這些較大的儲能元件，低轉換效率將增加系統上電所需的時(shí)間，這反過(guò)來(lái)又將延長(cháng)從獲取一個(gè)傳感器讀數至傳輸該數據的時(shí)間間隔。功率轉換電路中的高靜態(tài)電流會(huì )嚴重限制所能收集并輸送至應用負載的“可用”能量。而且，同時(shí)實(shí)現低靜態(tài)電流運作和高功率轉換效率還必需擁有高深的模擬開(kāi)關(guān)模式電源專(zhuān)門(mén)知識——這很少能夠輕易獲得。

　　“缺失的一環(huán)”一直是能夠采集和管理來(lái)自極低功率電源之剩余能量的高集成度DC/DC轉換器。

　　能量收集的個(gè)案分析

　　我們以一個(gè)基于能量收集的工業(yè)監測系統為例進(jìn)行研究，比如：埋置于偏僻荒野之中的地下輸油管，它需要連續監測其流速、溫度和壓力（沿管道每50米為一段）。每個(gè)節點(diǎn)均具有內置于管道壁中的溫度、壓力和流量傳感器。必須每5秒鐘進(jìn)行一次測量并報告測量結果。由于輸油管線(xiàn)長(cháng)達數百英里，因此鋪設供電和信息線(xiàn)路將非常昂貴，且必須提供不間斷的維護，有可能需要進(jìn)行代價(jià)高昂的修理。另外，定期更換電池也將是一項很花錢(qián)的工作，這是因為電池的數目十分龐大，而且偏僻地域的道路往往崎嶇難行。我們所需要的是一種能夠持續產(chǎn)生足夠功率的電源——它隨時(shí)可用并可自我保持。最常見(jiàn)和易于使用的能量源之一可能是一個(gè)與諸如電池或超級電容器等儲能元件協(xié)同運作的小型太陽(yáng)能電池，用于在夜間及惡劣天氣條件下提供持續供電。

　　能量收集IC

　　凌力爾特公司近期推出了LTC3105，這是一款超低電壓升壓型轉換器，專(zhuān)為大幅度地簡(jiǎn)化收集和管理那些來(lái)自低電壓和高阻抗替代電源（例如：光伏電池、TEG（熱電發(fā)生器）和燃料電池）之能量的任務(wù)而設計。該器件的同步升壓型設計可在低至250mV的輸入電壓條件下啟動(dòng)，因而使其非常適合甚至是處于不太理想照明條件下的極小光伏電池收集能量。其0.2V至5V的寬輸入電壓范圍使得它成為眾多應用的合適之選。一個(gè)集成的最大功率點(diǎn)控制器（MPPC）使得能夠直接從高阻抗電源（比如光伏電池）來(lái)運作，從而防止輸入電源電壓驟降至可由用戶(hù)來(lái)設置的MPPC以下。峰值電流限值自動(dòng)進(jìn)行調節，以最大限度地增加從替代能源所吸取的功率，而突發(fā)模式操作則可將靜態(tài)電流減小至僅18μA，從而優(yōu)化轉換器的效率。

　圖2中示出的電路采用LTC3105從單個(gè)光伏電池給單節鋰離子電池充電。該電路使電池能夠在太陽(yáng)能電源可用時(shí)持續充電，而反過(guò)來(lái)，當太陽(yáng)能電源不再可用時(shí)，電池也能夠利用儲存的能量來(lái)為某個(gè)應用電路（例如：一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)）供電。

　　LTC3105能夠在低至250mV的電壓條件下起動(dòng)。在啟動(dòng)期間，AUX輸出最初利用停用的同步整流器來(lái)充電。當VAUX達到約1.4V時(shí)，轉換器將退出啟動(dòng)模式并進(jìn)入正常操作狀態(tài)。在啟動(dòng)期間未啟用最大功率點(diǎn)控制器；然而，在內部將電流限制至足夠低的水平以從弱輸入電源實(shí)現啟動(dòng)。當轉換器處于啟動(dòng)模式時(shí)，位于A(yíng)UX和VOUT之間的內部開(kāi)關(guān)處于停用狀態(tài)，而且LDO被停用。典型的啟動(dòng)序列實(shí)例請參閱圖3。

　　當輸出電壓高于輸入電壓和》1.2V時(shí)，同步整流器被使能。在該模式中，位于SW和GND之間的N溝道MOSFET被使能，直到電感器電流達到峰值電流限值為止。一旦達到電流限值，N溝道MOSFET將關(guān)斷，而位于SW和受驅動(dòng)輸出之間的P溝道MOSFET被使能。此開(kāi)關(guān)保持接通狀態(tài)，直到電感器電流減小至谷值電流限值以下為止，然后該循環(huán)將重復。當VOUT達到穩壓點(diǎn)時(shí)，連接至SW引腳的N溝道和P溝道MOSFET被停用，轉換器將進(jìn)入睡眠模式。

　　為了給微控制器和外部傳感器供電，一個(gè)集成的LDO提供了一個(gè)6mA穩壓電源軌。集成的MPPC電路允許用戶(hù)針對某種給定的電源來(lái)設定最佳的輸入電壓工作點(diǎn)。此外，該MPPC電路還可動(dòng)態(tài)地調節平均電感器電流，以防止輸入電壓降至MPPC門(mén)限以下。

　　本文小結

　 電源管理是實(shí)現遠程無(wú)線(xiàn)檢測的關(guān)鍵一面。不過(guò)，電源管理的實(shí)現必須從設計理念開(kāi)始就是正確的。因此，系統設計人員和系統規劃人員從一開(kāi)始就必需劃分其電源管理需求的優(yōu)先順序，以確保高效率設計以及從長(cháng)遠來(lái)看部署是成功的。LTC3105是一款能量收集DC/DC轉換器，專(zhuān)為大幅度地簡(jiǎn)化收集和管理那些來(lái)自低電壓和高阻抗替代電源（例如：光伏電池、TEG和燃料電池）之能量的任務(wù)而設計。板載最大功率點(diǎn)控制對于在各種條件下從眾多能量源所提取的能量進(jìn)行了優(yōu)化