低功率是物聯網的關鍵

引言

支持物聯網 (IoT) 的無線傳感器在激增，這增大了對面向較低功率無線設備而定制的、小型、緊湊和高效率電源轉換器的需求。最近 IoT 市場中新出現的細分市場之一是可穿戴電子產品市場，從能量收集的角度來看，這個細分市場尤其令人感興趣。當然，可穿戴技術不僅面向人類，還有很多應用是面向動物的。最近出現的例子包括超聲斑塊治療和電子馬鞍優化以及針對其他動物的頸圈，這類頸圈以各種方式完成跟蹤、識別和診斷等任務。不過，不管用于什么樣的最終應用，這類產品大多數都需要一塊電池作為主電源，即使電池會用環境能源 (如果有環境能源可用) 加以補充。

不過，對面向人類的應用而言，似乎不久就會有可用不同形式的環境能源發電的可穿戴面料，這類面料也許僅需要一個小型主電池作為備份電源。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。稱呼這類面料制品的一個合適的詞也許是“電力套裝”!在這一研發領域處于前沿的一家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) 足夠輕、彈性足夠好的可穿戴光伏材料。這種材料會將光能轉換成電能，而電能又可用來給用戶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，對能量收集系統有毫微功率轉換需求，例如 IoT 設備 (想想谷歌眼鏡) 中常見的能量收集系統，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。

最新和現成有售的能量收集 (EH) 技術，例如振動能量收集產品以及室內或可穿戴光伏電池，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，但是能量收集組件在若干年內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，能量收集產品與長壽命主電池都大致相若。此外，采用 能量收集 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。

解決方案

當然，能量收集電源所提供的能量取決于該電源能工作多長時間。因此，能量收集電源的主要比較指標是功率密度，而不是能量密度。能量收集電源的可用功率一般很低、可變及不可預測，所以常常使用連接收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存儲電容器 (甚至可能是超級電容器)。收集器由于能量供應無限及功率不足而成為系統的能量源。輔助電力儲存庫或者是電池或者是電容器，產生較大的輸出功率，但存儲較少的能量，在需要時供電，否則定期從能量收集器接收電荷。因此，在沒有環境能源可供收集的時候，輔助電力儲存器必須用來給下游電子系統供電。

凌力爾特公司推出的一些電源轉換 IC 具備必要的功能和性能，使如此之低的收集能量能夠用于 IoT 應用。

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，以在可收集能源可用時延長電池壽命。用收集的能量向負載提供穩定功率時，該器件不需要電池提供電源電流，在無負載情況下用電池供電時，該器件僅需要 950nA 工作電流。LTC3331 集成了一個高壓能量收集電源和一個同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，該轉換器由可再充電主電池供電，為 IoT 設備、可穿戴產品以及無線傳感器節點 (WSN) 等能量收集應用提供一個不間斷輸出。

圖 1：LTC3331 能轉換多種能源，并可使用一個可再充電主電池

LTC3331 的能量收集電源由全波橋式整流器組成，適合 AC 或 DC 輸入以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) 能源收集能量。10mA 分路器用收集的能量實現簡便的電池充電，同時低電池電量斷接功能保護電池免于深度放電。可再充電電池給同步降壓-升壓型轉換器供電，該轉換器在 1.8V 至 5.5V 的輸入范圍內工作，在收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。在應對微功率電源時，LTC3331 電池充電器擁有非常重要、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，以便僅在能量收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，能量收集電源就會在啟動時卡在某個非最佳工作點上，不能完成啟動，無法給目標應用供電。當收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，如果適合的能量收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，如果能量收集能源更加普遍存在，那么壽命甚至能夠延長至更長時間。該器件還集成了一個超級電容器平衡器，因此允許增大輸出存儲量。

既然可穿戴設備收集的能量非常低 (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。為了實現這么嚴格的目標，DC/DC 轉換器本身必須消耗納安量級的電流。正是出于這個原因，凌力爾特推出了 LTC3335，這是一款毫微功率降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，集成了庫侖計數器，面向 WSN 中的 IoT 產品、可穿戴設備、以及通用能量收集應用 (參見圖 2)。

圖 2：LTC3335 毫微功率降壓-升壓型轉換器的典型應用原理圖

LTC3335 是一款高效率、低靜態電流 (680nA) 轉換器。其集成的庫侖計數器監視長壽命電池供電應用的電池累計放電量。這個計數器在內部寄存器中存儲電池的累計放電量數字，該寄存器可通過 I2C 接口訪問。降壓-升壓型轉換器的輸入可在低至 1.8V 時工作，提供 8 個引腳可選輸出電壓，輸出電流高達 50mA。為了適合多種類型和尺寸的電池，峰值輸入電流的選擇范圍可以從低至 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，只要降壓-升壓型轉換器向負載提供電流，該器件集成的精確庫侖計數器就記錄從電池傳送出的累計電荷量。當未處于休眠模式時，降壓-升壓型轉換器面向所有電池和輸出電壓情況作為 H 橋工作 (參見圖 3)。

圖 3：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接通。電感器電流斜坡上升至 Ipeak，然后開關 A 和 C 斷開。接著，開關 B 和 D 接通，直到電感器電流斜坡下降至零為止。這個周期一直重復，直至 Vout 達到休眠門限為止。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 3 中的陰影區域) 可以通過對 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給出：

q AC(ON) = (Ipeak * tAC)/2

當降壓-升壓型轉換器工作時，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 時間是內部調節的，以補償電源、溫度和工藝變化導致的、實際選定的 Ipeak 值的誤差。這樣就可針對電池在每個 AC(ON) 周期傳送出的電荷量產生非常準確的“測量值”。

結論

顯然，將有眾多 WSN、可穿戴產品和 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。由于有凌力爾特這樣的供應商，所以毫微功率產品設計師將有大量可供選擇的轉換解決方案。

編輯：admin  最后修改時間：2018-01-05