一種圍繞無(wú)感式DC/DC變換器和太陽(yáng)能電池構(gòu)成的3.3V電源電路

本文討論了一種圍繞無(wú)感式 DC/DC 變換器和太陽(yáng)能電池構(gòu)成的3.3 V 電源電路

本文討論了一種圍繞無(wú)感式 DC/DC 變換器和太陽(yáng)能電池構(gòu)成的3.3 V 電源電路。

我最近設(shè)計(jì)了一個(gè)電路板，讓我有機(jī)會(huì)探索太陽(yáng)能在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用。我的想法如下: 我想要一個(gè)參考設(shè)計(jì)，將作為一個(gè)非常緊湊，非常直接的方式使用環(huán)境光產(chǎn)生3.3 V 的微控制器為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)。我已經(jīng)測(cè)試了足夠的董事會(huì)，以確認(rèn)它的工作，雖然它也有主要的限制。在本文中，我將重點(diǎn)介紹該板的示意圖設(shè)計(jì)。

保持小規(guī)模

我這個(gè)項(xiàng)目的總體目標(biāo)是開發(fā)一種簡(jiǎn)單的方法，將太陽(yáng)能融入小型低功耗設(shè)備，如可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)傳感器。到目前為止，我所觀察到的性能并沒有給我留下太深刻的印象，但是整個(gè)解決方案的規(guī)模是相當(dāng)不錯(cuò)的。主要部件為7mm × 22mm 單晶太陽(yáng)能電池(p/n KXOB22-01X8F)和微型電荷泵 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(p/n LTC3204EDC-3.3)。

從這個(gè)數(shù)據(jù)表中獲取的圖像

圖片由 Digi-Key 提供

除了太陽(yáng)能電池和電荷泵之外，你所需要的就是電容: 一個(gè)輸入電容、一個(gè)電荷泵電路的電容和一個(gè)輸出電容。很高興知道，你可以把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成一個(gè)穩(wěn)定的3.3 V 電源只有一個(gè)太陽(yáng)能電池，一個(gè)微型六針集成電路，和三個(gè)電容器。更好的是，所有三個(gè)電容器可以是相同的價(jià)值，這使訂購(gòu)零件和組裝電路板更簡(jiǎn)單一點(diǎn)。

我的執(zhí)行

下面的示意圖摘錄顯示了我設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能3.3 V 電源。我包括四個(gè)輸出電容器，這使我能夠添加和刪除作為一種方式來(lái)實(shí)驗(yàn)的影響，更高或更低的輸出電容。如上所述，雖然，只有一個(gè)輸出電容器(最低2μF)是必需的。

正如您所看到的，很難與這種方法的簡(jiǎn)單性競(jìng)爭(zhēng)。BOM 有三個(gè)行項(xiàng)目，并且相互連接非常簡(jiǎn)單。所有的電容器可以表面貼裝陶瓷類型; 我推薦 X7R。最困難的部分是安裝 LTC3204，這不僅是微小的，而且是一個(gè)無(wú)引線軟件包與熱墊。在我的熱風(fēng)槍和一些低溫鉍基焊膏的幫助下，我能夠很容易地完成它。

限制

在我說任何關(guān)于這個(gè)設(shè)計(jì)的積極的事情之前，讓我們回顧一下消極的方面:

它沒有超級(jí)電容器或電池，換句話說，它沒有長(zhǎng)期儲(chǔ)存能量的方法。這是一個(gè)“在陽(yáng)光照耀下工作”的裝置。

電荷泵集成電路只有在太陽(yáng)能電池暴露在全太陽(yáng)下時(shí)才能達(dá)到適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。這是一個(gè)意想不到的限制，我將在接下來(lái)的項(xiàng)目文章中進(jìn)一步探討。底線，就我所知，是只有充分的太陽(yáng)能產(chǎn)生足夠的太陽(yáng)能電池電流，以充分供應(yīng)所需的輸入電流的 LTC3204。

即使在全日照條件下，可用的輸出電流也相當(dāng)?shù)?。太?yáng)能電池的最大容量為4.4毫安，這對(duì)于高速微控制器的運(yùn)行來(lái)說是不夠的，而且我猜射頻通信也不太可行。

重案組

我的電路板不僅包括太陽(yáng)能充電泵電源，還包括一個(gè)微控制器電路:

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微控制器是來(lái)自硅實(shí)驗(yàn)室的 EFM8瞌睡蜂。在32.768 kHz 的工作頻率下，它只需要90μA 的電源電流。

一個(gè)開關(guān)允許我從太陽(yáng)能電池電路或從硅實(shí)驗(yàn)室 USB 調(diào)試適配器為微控制器供電。調(diào)試適配器提供5伏，所以你需要一個(gè) LDO (瞌睡蜂的 VDD 范圍是1.8-3.6伏)。

32.768 kHz 的晶體使我能夠?qū)崿F(xiàn)低電流消耗和高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘應(yīng)用。不需要電容器; 直接將晶體連接到 XTAL3和 XTAL4引腳，然后通過固件配置負(fù)載電容。

電荷泵

LTC3204有四種風(fēng)格: (固定)輸出電壓可以是3.3 V 或5 V，部件可以在突發(fā)模式或恒頻模式下工作(沒有“模式選擇”引腳; 你必須指定與所需模式相對(duì)應(yīng)的部件號(hào))。我選擇了突發(fā)模式。我不確定這在太陽(yáng)能方面是否有明顯的好處，但是在突發(fā)模式下“空載輸入電流”要低得多，考慮到我的太陽(yáng)能電池板的輸出電流限制，這似乎是一個(gè)有益的特點(diǎn)。

取自 LTC3204數(shù)據(jù)表。帶有“ B”后綴的零件編號(hào)是非突發(fā)模式的版本

LTC3204保持穩(wěn)定的3.3 V 輸出，輸入電壓從1.8 V 到4.5 V; 這使得它與 KXOB22-01X8F 太陽(yáng)能電池相當(dāng)匹配:

太陽(yáng)能電池的電壓可以高達(dá)4.7 V，嚴(yán)格來(lái)說超出了 LTC3204的輸入范圍。然而，絕對(duì)最大輸入電壓是6伏，所以太陽(yáng)能電池的電壓永遠(yuǎn)不會(huì)超過甚至接近絕對(duì)最大，我懷疑4.7伏的輸入會(huì)造成任何問題。

結(jié)論

我們已經(jīng)看到了一個(gè)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的微控制器板的原理圖設(shè)計(jì)，它使用一個(gè)簡(jiǎn)單，緊湊的電荷泵集成電路產(chǎn)生一個(gè)可調(diào)節(jié)的3.3 V 電力軌道。這是一個(gè)小型且相當(dāng)廉價(jià)的解決方案，可以被整合到各種低功耗設(shè)備中。它有很大的局限性，雖然，我目前有計(jì)劃的修改設(shè)計(jì)，需要更多的 PCB 房地產(chǎn)，但作為交換，提供更高的性能和更容易組裝。

　　審核編輯：湯梓紅