能量收集源中的電源管理解決方案

為從環(huán)境中收集能量的源設(shè)計電源管理系統(tǒng)可能具有挑戰(zhàn)性。這些來源，從太陽能電池到振動能，甚至來自熱差的功率，都是不可預(yù)測變化的少量功率。這給必須高效運(yùn)行并提供穩(wěn)定輸出的電源管理系統(tǒng)帶來了巨大挑戰(zhàn)。被供電的節(jié)點(diǎn)中的傳感器和處理器的電壓和功率要求已經(jīng)下降，因此使用能量收集源變得更加實(shí)用;但是仍有不同的方法來管理這些電力子系統(tǒng)。

顯然有必要優(yōu)化系統(tǒng)中低平均功率的設(shè)計，但也有必要了解下限和上限。能量收集源。降壓/升壓轉(zhuǎn)換器將具有下限，低于該下限功率級可以關(guān)閉或不啟動，從而中斷系統(tǒng)的操作。這也意味著上電排序必須了解何時為每個器件和其他器件供電的影響，以便功率消耗不會將功率轉(zhuǎn)換階段推到該下限以下。

但是，還必須注意潛在的峰值功率，以避免壓倒額外的儲能元件，如電容器或電池。

使用硬件定時器和中斷而不是軟件可以降低總體電源要求，并且在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)狀態(tài)指示和警報是必不可少的，以便可以使用正確的信息進(jìn)行電源管理選擇。

隔離系統(tǒng)中的所有負(fù)載并使其可切換，為電源管理器提供了更多機(jī)會來避免問題并優(yōu)化性能。這也有助于隔離任何消耗過多功率的設(shè)備。

降壓/升壓轉(zhuǎn)換器是一種適合通過壓電傳感器從運(yùn)動或振動中獲取能量的架構(gòu)。輸入端的保護(hù)分流器允許電源管理器容納各種不同的壓電元件，這些元件的短路電流約為10μA。

壓電源的典型電源管理器的一個例子是凌力爾特公司的LTC3588。它設(shè)計用于直接連接壓電或替代電源，整流電壓波形并將收集的能量存儲在外部電容上，并通過內(nèi)部并聯(lián)穩(wěn)壓器排出任何多余的電能。

集成了低損耗全波橋式整流器和高效率降壓轉(zhuǎn)換器，針對高輸出阻抗壓電源進(jìn)行了優(yōu)化，并通過高效同步降壓穩(wěn)壓器保持穩(wěn)定的輸出電壓。

超低靜態(tài)具有寬滯后窗口的電流欠壓鎖定（UVLO）模式允許電荷累積在輸入電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將一部分存儲的電荷轉(zhuǎn)移到輸出，并且降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要打開和關(guān)閉以維持調(diào)節(jié)。

知道下限的重要性的一個例子是降壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)輸入電壓超過UVLO上升閾值以轉(zhuǎn)移充電時啟動e從輸入電容到輸出電容。 1 V UVLO遲滯窗口的閾值低于所選穩(wěn)壓輸出電壓約300 mV，這可防止降壓上電期間的短暫循環(huán)。

當(dāng)輸入電容電壓耗盡低于UVLO下降閾值時，降壓轉(zhuǎn)換器被禁用，450 nA的極低靜態(tài)電流允許能量從壓電源積聚在輸入電容上。遲滯由算法確定，該算法通過來自電壓感測引腳的內(nèi)部反饋來控制輸出。

圖1：靜態(tài)電流欠壓鎖定（UVLO）使用滯后算法來保護(hù)壓電能量收集系統(tǒng)中的功率輸出。

LTC3588的四個輸出電壓顯示了能量采集源預(yù)期供電的較低電壓，從1.8 V，2.5 V和3.3 V到3.6 V，這些引腳可通過高達(dá)100 mA的連續(xù)輸出進(jìn)行選擇當(dāng)前。設(shè)置為20 V的輸入保護(hù)分流器可在給定量的輸入電容下實(shí)現(xiàn)更大的能量存儲。

低損耗橋式整流器的總壓降約為400 mV，典型的壓電發(fā)電電流約為10μA，電橋能夠承載高達(dá)50 mA的電流。所有這些都允許電容器中的電荷消除電源的間歇性質(zhì)，并為傳感器或控制器提供所需的電壓。

電池通常用于從能源中收集電荷，但這些也需要保護(hù)免受過度充電或充電不足。 Maxim Integrated的MAX17710可以管理調(diào)節(jié)不良的能量收集源，輸出電平范圍為1μW至100 mW。對于0.8 V收獲源和4.1 V電池，只要收獲源可以支持，該設(shè)備可以提供超過20 mA（80 mW）的電壓。

為此，該設(shè)備包括一個增壓器用于從低至0.75 V的電源為鋰電池充電的穩(wěn)壓器電路，同時用于保護(hù)電池免于過充電和內(nèi)部電壓保護(hù)的內(nèi)部穩(wěn)壓器可防止電池過度放電。使用低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器調(diào)節(jié)1.8 V至2.3 V至3.3 V的可選輸出電壓。

圖2： MAX17710集成了一個低壓差穩(wěn)壓器，可以保護(hù)電容器或鋰電池免受充電不足。

太陽能

越來越受歡迎的能量收集來源是太陽能電池，有幾種管理來自這些細(xì)胞的力量的不同方法。這些不同的方法可通過數(shù)字圖書館免費(fèi)獲得，并可在一系列評估板上進(jìn)行測試。

太陽能電池的數(shù)字電源軟件庫提供代碼優(yōu)化的構(gòu)建模塊，可實(shí)現(xiàn)各種電源拓?fù)浜退惴ǎ缱畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤（MPPT）和軟件鎖相環(huán)（PLL），以幫助設(shè)計優(yōu)化太陽能逆變器到動力設(shè)備。

有三種基本的MPPT算法可以在微控制器中輕松測試。最流行的是擾動和觀察（P＆amp; O）算法，也稱為“爬山法”，其中控制器移動或擾亂來自陣列的電壓少量并測量功率。如果功率增加，則電壓在相同方向上稍微改變，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)。然而，這可能導(dǎo)致一點(diǎn)周圍的功率輸出振蕩。

圖3a：基本的P＆amp; O算法（來源：MATHWORKS）

第二個選項(xiàng)，增量電導(dǎo)，比較對瞬時電導(dǎo)的增量電導(dǎo)。根據(jù)結(jié)果，它會增加或減少電壓，直到達(dá)到最大功率點(diǎn)（MPP）。與P＆amp; O算法不同，一旦達(dá)到MPP，電壓保持不變。

圖3b：增量電導(dǎo)算法。 （來源：MATHWORKS）

第三種MPPT方法是分?jǐn)?shù)開路電壓：該算法基于最大功率點(diǎn)電壓始終是開路電壓的恒定分?jǐn)?shù)的原理。測量太陽能電池中電池的開路電壓，并將其用作控制器的輸入。

圖4：太陽能微型逆變器的開發(fā)德州儀器（TI）的套件允許評估MPPT算法的數(shù)字庫。

這些電源管理算法可以在德州儀器的Solar Micro Inverter開發(fā)套件上進(jìn)行測試，該開發(fā)套件基于Piccolo TMS320F28035微控制器，可用作完整的并網(wǎng)太陽能微逆變器。微逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括帶有次級倍壓器的有源鉗位反激式DC/DC轉(zhuǎn)換器，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和并網(wǎng)DC/AC逆變器。單個Piccolo控制器處理功率級和MPPT算法的執(zhí)行。

其他評估板，如MAX17710，允許測試不同的拓?fù)浜退惴?，改變儲能元件和控制算法?/p>

圖5：MAX17710評估板允許開發(fā)人員使用太陽能電池等能源為受保護(hù)的鋰電池充電。

結(jié)論

在能量收集源的超低功率水平下運(yùn)行給電力系統(tǒng)開發(fā)人員帶來了許多挑戰(zhàn)。密切關(guān)注能源的下限和上限，使系統(tǒng)設(shè)計變得更加容易。開發(fā)人員還可以評估不同的控制算法并進(jìn)行調(diào)整，以便為所選能源提供最有效的功率轉(zhuǎn)換，無論是太陽能電池陣列，壓電振動傳感器還是熱能源。通過選擇評估板，可以輕松測試這些產(chǎn)品，以及正確選擇電池或電容器。