利用環(huán)境產(chǎn)生電能 創(chuàng)造無電池無線傳感器

　　一般情況下，可收集的環(huán)境能量在數(shù)十 mW，因此能量收集需要仔細的功率管理，以成功獲取數(shù) mW 的環(huán)境能量，并將其存儲在一個可使用的能量庫中。一種常見的環(huán)境能源是機械振動能，這種能量由工廠中運行的發(fā)動機、風扇葉片上的氣流、甚至行駛的車輛產(chǎn)生。壓電換能器可用來將這種振動能轉(zhuǎn)換成電能，電能再用來給電路供電。

　　為了管理能量收集和能量向系統(tǒng)的釋放，LTC3588-1 壓電能量收集電源 (圖 1) 集成了一個低損耗內(nèi)部橋式整流器和一個同步降壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。該裝置運用一種高效的能量收集算法以收集和存儲來自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十mA 的短路電流。

　　能量收集系統(tǒng)常常必須支持比壓電器件能產(chǎn)生的電流高得多的峰值負載電流，因此 LTC3588-1 能夠積累能量，然后再以短的能量突發(fā)向負載釋放能量。當然，就連續(xù)運行而言，這類突發(fā)能量必須以低占空比提供，以便在突發(fā)期間總的輸出能量不超過在能量積累周期中所累積的平均電源能量。一個以固定時間間隔進行測量、并在兩次測量之間發(fā)送數(shù)據(jù)并斷電的傳感器系統(tǒng)是能量收集解決方案的首選。

　　能量收集的關(guān)鍵是低靜態(tài)電流

　　能量收集過程依賴低靜態(tài)電流能量積累階段。LTC3588-1 通過欠壓閉鎖 (UVLO) 模式來實現(xiàn)，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到 1mA 的靜態(tài)電流。UVLO 模式允許在一個輸入電容器上積累電荷，直到內(nèi)部降壓型轉(zhuǎn)換器能夠高效率地將部分存儲的電荷傳送到輸出為止。

　　圖2顯示了 UVLO 靜態(tài)電流曲線，該曲線是隨 VIN 單調(diào)變化的，因此一個低至 700nA 的電流源就可以將輸入電容器充電至 UVLO 的上升門限，從而產(chǎn)生一個穩(wěn)定的輸出。一旦達到穩(wěn)定，LTC3588-1 就進入休眠狀態(tài)，在這狀態(tài)下，輸入和輸出靜態(tài)電流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，輸出穩(wěn)定時，靜態(tài)電流僅為 950nA。然后降壓型轉(zhuǎn)換器按照需要接通和斷開，以保持穩(wěn)定。在休眠模式和 UVLO 模式，低靜態(tài)電流都允許在輸入電容器庫中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

　　當 VIN 達到 UVLO 上升門限時，集成的高效率同步降壓型轉(zhuǎn)換器接通，并開始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩(wěn)壓器運用一種遲滯電壓算法，通過來自 VOUT 檢測引腳的內(nèi)部反饋控制輸出。通過一個內(nèi)部 PMOS 開關(guān)使電感器電流斜坡上升至高達 250mA，然后再通過一個內(nèi)部 NMOS 開關(guān)使該電流斜坡下降至零，憑借這一過程，該降壓型穩(wěn)壓器通過一個電感器將輸出電容器充電至略高于穩(wěn)定點的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

　　如果在輸出電壓達到穩(wěn)定之前，輸入電壓下降至低于 UVLO 下降門限，那么降壓型轉(zhuǎn)換器關(guān)閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于 UVLO 上升門限為止。這期間，VOUT 檢測引腳上的泄漏不高于 90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩(wěn)壓器切換時所達到的值。圖 3 顯示一個由 2mA 電流源充電的 LTC3588-1 典型啟動波形。當同步降壓型穩(wěn)壓器使輸出電壓進入穩(wěn)定時，該轉(zhuǎn)換器進入低靜態(tài)電流休眠狀態(tài)，該狀態(tài)用休眠比較器監(jiān)視輸出電壓。在這種運行模式時，負載電流由降壓型轉(zhuǎn)換器的輸出電容器提供。當輸出電壓下降至低于穩(wěn)定點時，該降壓型穩(wěn)壓器醒來，重復上述周期。這種提供穩(wěn)定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與 FET 切換有關(guān)的損耗，并使在非常輕的負載時進行高效率調(diào)節(jié)成為可能。

　　該降壓型轉(zhuǎn)換器正在切換時，提供高達 100mA 的平均負載電流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 這 4 個輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無線發(fā)送器供電。圖 4 顯示在穩(wěn)定和休眠時極低的靜態(tài)電流，這允許在輕負載時高效率運行。盡管切換時降壓型穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流遠高于休眠靜態(tài)電流，但是它在負載電流中所占百分數(shù)仍然很小，從而在多種負載條件下實現(xiàn)了高效率 (圖 5)。

　　降壓型轉(zhuǎn)換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時才工作，它以短突發(fā)將能量傳送到輸出，短突發(fā)所用時間遠短于積累能量所需的時間。當降壓型轉(zhuǎn)換器工作時的靜態(tài)電流在整個積累/突發(fā)周期中平均時，平均靜態(tài)電流非常低，從而非常容易提供收集少量環(huán)境能量的電源。穩(wěn)定狀態(tài)時極低的靜態(tài)電流允許 LTC3588-1 在負載不到 100mA 時實現(xiàn)高效率。

　　獲得振動能量

　　壓電元件能夠?qū)C械能 (通常是振動能) 轉(zhuǎn)換為電能。壓電元件可以由 PZT (鋯鈦酸鉛) 陶瓷、PVDF (聚偏氟乙烯) 或其他復合材料制作而成。當陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)被壓縮時，陶瓷壓電元件呈現(xiàn)出一種壓電效應，內(nèi)部偶極運動將產(chǎn)生一個電壓。當分子相互排斥而發(fā)生彎曲時，由長鏈分子構(gòu)成的聚合物元件將產(chǎn)生一個電壓。陶瓷常常在直接壓力之下使用，而聚合物則更容易彎曲。

　　可用的壓電器件有很多種，這些器件產(chǎn)生各種開路電壓和短路電流。開路電壓和短路電流形成一條壓電器件的“負載線”，這條線隨著可用振動能量的增加而上升，如圖 6 所示。LTC3588-1 可以處理高達 20V 的輸入電壓，此時，一種保護性并聯(lián)電路保護該器件免受 VIN 上過壓情況的損害。如果充足的環(huán)境振動導致壓電器件產(chǎn)生比 LTC3588-1 所需更多的能量，并聯(lián)電路會消耗多余的能量，從而將壓電器件有效地箝位在其負載線上。

　　LTC3588-1 通過內(nèi)部低損耗橋式整流器與壓電器件連接，橋式整流器可通過 PZ1 和 PZ2 引腳連接。整流后的輸出存儲在 VIN 電容器中。在 10uA 的典型壓電電流時，與橋式整流器有關(guān)的壓降在 400mV 量級。橋式整流器在 125℃ 時反向泄漏電流不到 1nA，帶寬高于 1MHz，能攜帶 50mA 電流，因此適合其他多種輸入電源。

　　可以確定環(huán)境振動的特征，以選擇具有最佳特性的壓電器件。振動頻率和振動力以及使用 LTC3588-1 輸出電容器庫的時間間隔和每次突發(fā)所需能量有助于決定最佳壓電器件?？梢砸赃@種方式設計系統(tǒng)，以便系統(tǒng)按照可用能量允許的頻度執(zhí)行任務。有些情況只要能收集能量，不管多少都行，這時沒有必要優(yōu)化壓電器件。

　　可以選擇的能量儲存方法

　　收集的能量可以儲存在輸入電容器或輸出電容器上。寬輸入范圍利用了以下事實的好處：儲存在電容器上的能量與電容器電壓的平方成正比。輸出電壓穩(wěn)定后，任何多余的能量都儲存在輸入電容器上，輸入電容器的電壓也會上升。當輸出端有負載時，降壓型穩(wěn)壓器能夠高效率地將以高壓形式儲存的能量傳送給穩(wěn)定的輸出。盡管輸入端的能量儲存利用了輸入端的高壓，但是負載電流被限定為降壓型穩(wěn)壓器能夠提供的 100mA。如果需要為較大的瞬態(tài)負載提供服務，那么可以改變輸出電容器的大小，以在瞬態(tài)期間支持較大的電流。

　　PGOOD 輸出有助于進行電源管理。輸出第一次達到穩(wěn)定時，PGOOD 變高 (相對于 VOUT)，并保持高電平，直到輸出降至穩(wěn)定點的 92% 為止。PGOOD 可以用來觸發(fā)一個系統(tǒng)負載。例如，PGOOD 變高時，電流突發(fā)可以開始，并持續(xù)消耗輸出電容器電量，直到 PGOOD 變低為止。在有些情況下，利用最后焦耳是很重要，而且如果輸出仍然在穩(wěn)定點的 92% 之內(nèi)，那么 PGOOD 引腳將保持高電平，即使輸入降至低于較低的 UVLO 門限 (就像如果振動停止可能發(fā)生的那樣) 也一樣。LTC3588-1 延長電池壽命

　　能量收集系統(tǒng)不但能消除對電池的需求，還能對電池解決方案起到補充作用。能量收集系統(tǒng)可以配置為，當環(huán)境能量可用時，就卸載電池，但是在環(huán)境電源消失時，就啟用電池，將電池作為備份電源使用。這種方法不僅改善了可靠性，還能產(chǎn)生一個響應更快的系統(tǒng)。例如：布設于運輸設備 (比如牽引拖車) 上的一個能量收集傳感器節(jié)點可以在拖車的行駛途中收集能量。當貨車停泊且無振動時，一個后備電池仍將提供運輸設備查詢所需的能量。

　　圖8中的電池備份電路顯示一個 9V 電池和一個串聯(lián)連接到 VIN 的隔離二極管。壓電器件通過內(nèi)部橋式整流器給 VIN 充電，而隔離二極管防止反向電流流入電池。圖中所示是一個 9V 電池，只要電池組電壓不超過 18V 就行，這是可以通過一個外部低阻抗電源加給 VIN 的最高電壓。當設計一個電池備份系統(tǒng)時，應該選擇壓電換能器和電池，以使峰值壓電電壓超過電池電壓。這允許壓電器件“接管” 并為 LTC3588-1 供電。

　　大量可替換使用的能源解決方案

　　除了可從壓電器件獲得的環(huán)境振動能，LTC3588-1 還可以收集其他來源的能量。集成的橋式整流器允許很多 AC 電源為 LTC3588-1 供電。圖 9所示的熒光燈能量收集器以容性方式收集 AC 供電的熒光燈管輻射的交替變化電場能量。銅板可以放置在位于燈架上的燈管的上方，以利用燈管產(chǎn)生的電場能量，并將該能量饋送給 LTC3588-1 和集成的橋式整流器。這樣一個收集器可以在建筑物各處使用，為 HVAC 傳感器節(jié)點供電。

　　LTC3588-1 另一個有用的應用是，用具有限流電阻器的 AC 線電壓給該 IC 供電，如圖10所示。這為簡單的插件應用提供了一種低成本、無變壓器的解決方案。設計直接連接到線電壓的電路時，應該遵循一些正確的 UL 指導原則。

　　用來給 LTC3588-1 供電的不僅限于 AC 電源，太陽能電池板、熱電耦等 DC 電源也可以使用，如圖11 所示。這類電源可以連接到 PZ1/PZ2 輸入之一，以利用電橋提供的反向電流保護功能。它們還可以用外部二極管“或”連到一起后，與 VIN 引腳相連。這為使用針對不同方向的多個太陽能電池板提供了方便，針對不同方向是為了在一天的不同時間獲取太陽光照。多個輸出軌分享一個壓電電源

　　很多系統(tǒng)需要多個電源軌為不同的組件供電。微處理器可能使用 1.8V，可是無線發(fā)送器可能需要 3.6V。兩個 LTC3588-1 器件可以連接到一個壓電器件上，并同時為每個輸出供電，如圖12所示。這種配置具有自動電源排序功能，具有較低電壓輸出 (即較低 UVLO 上升門限) 的 LTC3588-1 先開始工作。隨著壓電器件提供輸入功率，兩個 VIN 軌最初同時開始工作，但是當一個輸出開始消耗功率時，僅與其對應的 VIN 下降，因為每個 LTC3588-1 的橋提供隔離。然后，輸入壓電能轉(zhuǎn)至這個較低電壓的電容器，直到兩個 VIN 軌再次相等為止。這種配置可擴展至多個由單個壓電器件供電的 LTC3588 器件，只要壓電器件能夠支持所有 LTC3588-1 合起來的總靜態(tài)電流就行。