滿足穿戴式產品應用 低功率能量采集技術不可或缺
能源在環境中無所不在，舉凡人類的體溫、室內照明甚至黃昏日光的光能，以及日常身體移動產生的動能，都可透過低功率能量采集技術轉換成電力。對穿戴式裝置等無法內建大型電池的應用來說，若能加以采集，則運作時間將可大幅延長。
能源在環境中無所不在，舉凡人類的體溫、室內照明甚至黃昏日光的光能，以及日常身體移動產生的動能，都可透過低功率能量采集技術轉換成電力。對穿戴式裝置等無法內建大型電池的應用來說，若能加以采集，則運作時間將可大幅延長。
支持物聯網(IoT)的無線傳感器正在大幅增加，而這也提高了因應較低功率無線裝置而訂制、小型、纖巧和高效率電源轉換器的需求。最近IoT市場中新出現的市場之一是穿戴式電子產品市場，從能量采集的角度來看，這個市場區隔尤其令人感興趣。
當然，穿戴式技術不僅因應人類需求，還有很多應用是針對動物的。最近出現的例子，包括電子馬鞍優化及針對其他動物的頸圈，這類頸圈以各種方式完成追蹤、識別和診斷等任務。
不過，不管用于什么樣的應用，這類產品大多數都需要一塊電池來作為主電源，即使電池會以環境能源(如果有環境能源可用)來進行補充。
能量采集技術助力 環境能源發電可望實現
不過，針對人類的應用來看，似乎不久就會有可用不同形式的環境能源發電的穿戴式材料，這類材料也許僅需要一個小型主電池來作為備份電源。這種免費能源包括體溫產生能量、室內照明甚至黃昏日光產生的光伏電源，以及日常身體移動產生的動能。
稱呼這類制品的一個合適的詞也許是「電力套裝(Power Suits)」，而在此研發領域中，處于前鋒地位的公司正在實施歐盟資助的項目Dephotex，這家公司已經有辦法制造重量夠輕、彈性夠好的穿戴式光伏材料。這種材料會將光能轉換成電能，而電能又可用來給使用者穿戴的各種電子設備供電，或者用來給主電池充電，甚至既供電又充電。
類似地，在功率范圍的低端，對能量采集系統有著毫微功率轉換需求，例如IoT裝置(如Google Glass)中常見的能量采集(EH)系統，在這類系統中，必須使用能夠處理非常低功率、非常小電流的電源轉換IC。功率和電流可能分別為數十微瓦和數十納安培。
最新和現成的能量采集技術，例如振動能量采集產品及室內或穿戴式光伏電池，在典型工作條件下產生毫瓦量級的功率。盡管這個量級的功率看似有限，但是能量采集組件在若干年內的持續工作，可能意味著，無論從所提供的能量還是從單位能量的成本上來看，能量采集產品與長壽命主電池都大致相同。
此外，采用能量采集技術的系統一般能夠在電量耗盡后再充電，而僅由主電池供電的系統卻做不到這一點。不過，大多數系統都會使用環境能源作為主電源，用主電池作為環境能源的補充，如果環境能源消失或中斷，就可以接入主電池。
提高功率密度 能量采集解決方案再進化
當然，能量采集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長的時間。因此，能量采集電源的主要比較指針是功率密度，而不是能量密度。能量采集電源的可用功率一般很低、可變及不可預測，所以常常使用連接采集器和輔助電源的混合型結構。輔助電源可能是一塊可再充電電池或者一個儲存電容(甚至可能是超級電容)。
采集器由于能量供應無限及功率不足而成為系統的能量源。輔助電力儲存庫或是電池或電容，產生較大的輸出功率，但儲存較少的能量，在需要時供電，否則定期從能量采集器接收電荷。因此，在沒有環境能源可供采集的時候，輔助電力儲存器必須用來為下游電子系統供電。
以凌力爾特為例，該公司推出的一些電源轉換IC具備了必要的功能和性能，使如此低的采集能量能夠用于IoT應用。
該公司所推出的LTC3331是一款完整的EH調節解決方案，提供高達50mA的連續輸出電流，以在可采集能源可用時延長電池壽命。當所采集的能量為負載提供穩定功率時，該組件不需電池提供電源電流，在無負載情況下用電池供電時，該組件僅需要950nA工作電流。同時，LTC3331整合了一個高壓能量采集電源和一個同步升降壓DC-DC轉換器，該轉換器由可再充電主電池供電，為IoT裝置、穿戴式產品，以及無線傳感器節點(WSN)等能量采集應用提供一個不間斷的輸出。
LTC3331的能量采集電源由全波橋式整流器組成，適合AC或DC輸入及高效率同步降壓型轉換器，從壓電(AC)、太陽能(DC)或磁性組件(AC)能源采集能量。10mA分路器以所采集的能量實現簡便的電池充電，同時低電池電量斷接功能可保護電池免于深度放電。可再充電電池為同步升降壓轉換器供電，該轉換器在1.8V至5.5V的輸入范圍內工作，在采集的能量不可用時用來調節輸出而無論輸入高于、低于或等于輸出。在因應微功率電源時，LTC3331電池充電器擁有十分重要、不容忽視的電源管理功能。
LTC3331納入了對電池充電器的邏輯控制功能，以便僅在能量采集電源有多余能量時才給電池充電。如果沒有這種邏輯控制功能，能量采集電源就會在啟動時卡在某個非最佳工作點上，而不能完成啟動，無法為目標應用供電。
當采集的能源不再可用時，LTC3331自動轉換到電池。這帶來了一個額外的好處，如果適合的能量采集電源至少在一半時間內可用，就允許電池供電的WSN將工作壽命從10年延長至超過20年，如果能量采集能源更加普遍存在，那么壽命甚至能夠延長至更長時間。該組件還整合了一個超級電容平衡器，因此允許增大輸出儲存量。
低功率為穿戴式組件設計重點
既然穿戴式裝置采集的能量非常低(在納安至毫安量級)，那么當務之急，是任何DC-DC轉換都要消耗盡可能少的功率，以確保最佳能量傳輸。為了實現此一嚴格的目標，DC-DC轉換器本身必須消耗納安量級的電流。基于此一原因，凌力爾特推出了LTC3335，該產品為毫微功率升降壓 DC-DC轉換器，其整合了庫侖計數器，以因應WSN中的IoT產品、穿戴式裝置，以及通用能量采集應用(圖1)。
圖1 LTC3335毫微功率升降壓轉換器的典型應用原理圖
LTC3335為一款高效率、低靜態電流(680nA)轉換器，其整合的庫侖計數器可監視長壽命電池供電應用的電池累計放電量。這個計數器在內部緩存器中儲存電池的累計放電量數字，該緩存器可透過I2C接口存取。升降壓轉換器的輸入可在低至1.8V時工作，提供八個接腳可選輸出電壓，輸出電流高達50mA，適合多種類型和尺寸的電池。該產品峰值輸入電流的選擇范圍可從低至5mA到高達250mA，滿標度庫侖計數器的可編程范圍為32768:1。
無論何時，只要升降壓轉換器向負載提供電流，該組件整合的精準庫侖計數器就會記錄從電池傳送出的累計電荷量。當未處于休眠模式時，升降壓轉換器會因應所有電池和輸出電壓情況而作為H橋工作(圖2)。
圖2 LTC3335以H橋模式工作時的定時圖
開關A和C在每個突發周期開始時導通。電感電流斜坡上升至Ipeak，然后開關A和C斷開。接著，開關B和D導通，直到電感電流斜坡下降至零為止。這個周期一直重復，直至Vout達到休眠門坎為止。如果Ipeak和開關AC(ON)時間(tAC)都是已知的，那么BAT放電庫侖量(圖2中的陰影區域)可以透過對AC(ON)周期計數并乘以每個AC(ON)期間的電荷量來計算，每個AC(ON)期間的電荷量由以下公式所示：
qAC(ON)=(Ipeak×tAC)/2
當升降壓轉換器工作時，LTC3335測量相對于滿標度ON時間(tFS，約為11.74μs)的實際AC(ON)時間，滿標度ON時間是由內部調節的，以補償電源、溫度和制程變化導致、實際選定的Ipeak值的誤差。如此便可針對電池在每個AC(ON)周期傳送出的電荷量產生非常準確的「測量值」。
顯然，將會有眾多的WSN、穿戴式產品，以及IoT產品需要毫微功率DC-DC轉換和庫侖量計算，以確保這些產品的最佳性能和壽命。
不過，直到不久前，這類轉換產品才上市，而凌力爾特也為毫微功率產品設計者提供了大量可供選擇的轉換解決方案。
編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
