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能量採集功率轉換新進展
實現電源管理積體電路設計

【作者: Frederik Dostal】   2017年11月02日 星期四

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能量採集技術已經問世很長時間了。我依然記得1980年代,我的袖珍型計算機採用太陽能電池為計算單元和LCD顯示器供電。甚至在此之前的電氣革命早期階段,便已將發電裝置或者發電機放在河上磨坊裡,通過奔騰的水流發電並獲取可供使用的能源。現在,當我們討論能量採集的時候,一般泛指用來代替電子設備中電池。因此,1980年的袖珍型計算機例子非常符合我們現在所說的「能量採集」。


能量採集系統設置

顯然,能量採集系統中最重要的就是採集器了,而最常見的是太陽能電池。採集器產生的電能需轉換為有用的電壓或電流,才能為系統供電,或者為超級電容和電池等中間儲能設備充電。系統上電後,需針對電子設備產生正確的電壓。


圖1顯示了能滿足各種不同任務需要的電源管理單元。使輸入阻抗匹配,以便最大程度採集能量、為中間儲能設備充電、從傳統一次電池轉移電能、為系統生成正確的輸出電壓以及監控電流流動和電壓,從而形成一個可靠的系統。所有這些任務都必須在極低的電源功率條件下實現,以便系統能夠採用小型採集器或感測器。這些功能高度整合在DC-DC轉換器中,有助於降低這類任務所需的電能。


圖1中的系統顯示了一個用於無線環境感測器的典型能量採集系統。這些感測器通常用來檢測溫度、濕度或各種氣體,比如二氧化碳。能量採集還有很多其它應用。無線佔位感測器或工業監控(比如資產追蹤和機器監控)中的安全與保全方面屬於工業應用。


能量採集亦使用於消費電子設備中,比如可攜式設備和可穿戴設備。在家庭醫療保健應用中,無線病人監護需要在無電池的情況下使用,或者延長電池壽命。

能量採集是目前非常流行的一個話題。很多工程師都必須評估能量採集解決方案是否能代替或補充現有的能源解決方案。這類系統目前如此受歡迎的原因是我們最終達到了一個均衡點,即從相對成本較低且尺寸較小的採集器獲得的能量足以為極低功耗微控制器和RF電路供電。過去數年內,電子產品的更新換代和能耗都有了進步,因此5到10年前不可行的很多應用現在都得以實現,且經濟實惠。



圖1 : 能量採集系統設置
圖1 : 能量採集系統設置

不同的能量來源

能量有各種來源,最常見的是太陽能(PV)、熱電(TEG)、電磁、壓電和RF。太陽能和熱電採集器產生直流電壓,而電磁、壓電和RF採集器產生交變電壓或交流電壓。這便使得電源轉換技術的要求稍有不同。


圖2顯示了不同的採集類型,以及一個尺寸為10平方釐米的採集器大致可以產生的能源量。該圖左側顯示產生的能源,右側顯示針對不同任務的功耗。注意,中間的功率尺度取對數。這張圖很重要,可以從中獲得切實可行的設計思路。很多時候,設計人員的工作和精力花費在評估能量採集解決方案上,最後卻發現所採集的能量不足以為特定系統供電。



圖2 : 不同的能量來源和不同應用所需的能量要求
圖2 : 不同的能量來源和不同應用所需的能量要求

DC-DC轉換器單元的重要性

電源轉換和管理通常是現代能量採集系統的核心元件。雖然某些應用並不採用複雜的功率元件,但更多應用的功率元件較為複雜。不含智慧電源管理的系統範例有鏈式太陽能電池堆疊,可生成相對較高的直流電壓,直接為系統供電或在兩者之間放置一個簡單的線性穩壓器後供電。這類系統通常達不到最佳的能效,或者電源電壓不能良好調節。雖然某些負載可以在變化較大的電源電壓下工作,但另一些不行。此外,更高級的系統傾向於要求使用某類電壓轉換器和管理模組。



圖3 : 適合能量採集應用的電源管理元件功能方塊圖
圖3 : 適合能量採集應用的電源管理元件功能方塊圖

圖3顯示了適合能量採集應用的現代電源管理元件的功能方塊圖。它包含啟動電路,該電路具有電荷泵,使輸入端上的啟動電壓為380 mV。系統運行後,ADP5090的內部電路由ADP5090的輸出電壓供電。它也是為能量採集系統負載供電的節點。當節點高於1.9 V時,輸入電壓可下降至80 mV,但依然可採集能量。這對於那些在非最佳情況下花了很多時間的系統而言非常有用,比如採用太陽能電池供電的室內感測器。太陽能電池在早上和晚上受到的光照可能很少,進而產生的電能也非常少。


在這些時間內採集一定能量有利於給定時間段內的總功率預算。ADP5090具有低靜態電流特性,因而從另一方面改善了這類情況。需注意的是,其功耗僅為260 nA。圖4顯示了一個典型的實際應用。該曲線顯示了住宅樓內的不同位置,以及採用太陽能電池的感測器處於黑暗中的典型時間。當然,這只是一個典型案例。感測器接收的光量取決於房子的結構,包括窗戶數量、在用的電燈數量以及感測器的確切位置。


此外,一年中的季節和房子的位置也會影響這類圖形。重點在於,在這種變化較大的照明條件下,ADP5090的低功耗特性對總功率預算極為有?明,尤其是那些大部分時間都處於黑暗中的場所。



圖4 : 不同住宅樓位置的感測器處於黑暗中的典型時間
圖4 : 不同住宅樓位置的感測器處於黑暗中的典型時間

ADP5090中的DC-DC轉換器級很有意思。正如大部分DC-DC轉換器,它具有調節迴路。然而,它既不會調節輸出電壓,也不會調節輸出電流。調節迴路主要以調節輸入阻抗的方式設置。


太陽能電池的電流和電壓表現如圖5所示。在開放性迴路條件下,沒有電流流過時,所提供的電壓達到最大值。然後,隨著電流流動,電壓開始下降。在極高的電流下,電壓下降得非常快。在曲線的中部形成了一個膝蓋形狀,它就是峰值功率點。


在該點處,電壓依然相對較高,但吸取了較多電流。為了在最大峰值功率點處工作,我們需要跟蹤這一點。僅設置一個我們所描繪的固定電流值是無法工作的,因為圖5中特定太陽能電池的曲線將根據不同的光照條件而發生偏移。如需跟蹤MPP(最大峰值功率點),則ADP5090停止在輸入端傳導電流並在不載入太陽能電池電壓的情況下檢查該電壓,然後設置下一個16秒的MPP。


經過此時間週期之後,再次執行開環檢查。16秒是個良好的折衷點,既遠離MPP漂移,又不會過於頻繁地中斷採集操作。



圖5 : 典型太陽能電池的電壓和電流曲線
圖5 : 典型太陽能電池的電壓和電流曲線

MPP跟蹤確保大部分能量從太陽能電池或熱電發生器等電源採集,但電源管理單元還有其它任務。例如,它需要在某個電壓視窗內控制輸出電壓。ADP5090用作電流源,為超級電容或電池充電。此元件對於消耗能量的能量採集而言很重要。


這樣可以實現很多沒有恆定可用能量供採集並以指定間隔執行某些系統任務的系統。例如,無線感測器網路中的某個感測器需要每隔5分鐘發送一次溫度值。如果該感測器由太陽能電池供電,由於中間儲能單元,系統依然可以在沒有光照的情況下工作。


目前一個非常受歡迎的架構是將能量採集設備加入一次電池供電的系統中。使用不可充電電池的產品可以成功地透過加入能量採集功能來延長系統壽命。這樣可以延長工作時間,而不會影響系統的可靠性。針對這類混合系統,ADP5090提供控制一次電池的能力。當沒有足夠的採集能量時,一次電池的電源路徑便轉而直接為負載供電。



圖6 : 適合能量採集應用的電源管理級範例
圖6 : 適合能量採集應用的電源管理級範例

圖6顯示了一個完整的能量採集功率級,不僅包含主ADP5090 MPPT能量採集IC,還具有一個備用IC,即ADP5310。它是一款DC-DC轉換器,可以非常高效率產生兩路輸出電壓。在100 μA輸出電流時,其效率接近90%。此外,ADP5310還整合了一個負載開關。此負載開關可用來關閉那些持續消耗能量的負載,哪怕這些負載並未使用。


ADP5310降壓轉換器支援的輸入電壓最高達15 V。因此,這款元件可以直接用於交流電壓產生器,比如壓電類或電磁類產生器。只需一個橋式整流器,輸出電壓便可直接饋入ADP5310。


現在,很多電源管理積體電路均針對能量採集應用而專門設計。它們可讓系統支援更小的採集器,或者實現數年前無法設計出來的能量採集解決方案。系統設計人員有一些好的想法現在正在實施中,不久之後,我們就能見證它們的實現並讚嘆不已。


(本文作者Frederik Dostal為美商亞德諾ADI歐洲分公司電源管理技術專家)


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