用于能量收集的低功率转换

在全球，我们的周围存在大量的环境能源，传统的能量收集方法已在太阳能板和风力发电机上使用。 但是，仍有新型收集工具可从大量环境来源生成电能。 不仅如此，这其中的重点并不在于电路的能量转换效率，而是更多地在于可为电路供电的“平均收集到的”能量总量。 例如：热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动能、光伏元件用于转换太阳光能（或任何光子源）、而流电元件则可从湿气转换出能量。 这就有可能给远程传感器供电，或者对电能存储器件（例如：电容器或薄膜电池）进行充电，这样微处理器或发射器无需本地电源即可从远处获得电能。

不过，由于这些能量处在功率谱的“低”端，因此无线传感器网络 (WSN) 和传感器中的毫微功率转换变得越来越普遍，需要功率转换 IC 能够工作非常低的功率和电流水平下。 通常分别是几十微瓦 (μW) 功率和几十纳安 (nA) 电流。 但是，工作电流低于 1μA 的电源转换产品（包括电池充电器）的供应却是极其有限。

一般地说，要想被上述这些应用所接纳和采用，电源转换 IC 必需具备的性能特征包括：

• 低待机静态电流 – 通常小于 6μA，并可低至 450nA
• 低启动电压 – 可低至 20 mV
• 高输入电压能力 – 高达 34 V（连续）和 40 V（瞬态）
• 能够处理 AC 输入
• 多路输出能力和自主型系统电源管理
• 针对太阳能输入的最大功率点控制最大功率 (MPPC) 功能
• 解决方案小巧紧凑、外部组件极少

WSN 基本上属于自足式系统，系统内的传感器会将环境能量源转换成电信号，随后通常由 DC/DC 转换器和管理器向下行电子元件供给合适的电压和电流。 下行电子元件包括一个微控制器、一个传感器和一个收发器。

尝试实现 WSN 时，要考虑的重要问题是：运作它需要多少功率？ 从概念上讲，此问题的答案貌似直观明了；但实际上，由于存在多种因素，回答此问题颇有几分难度。 例如，需要多久获取一次读数？ 或者，再考虑两个更重要的问题：数据包会有多大？传送数据包需要多少功率？ 这是由于在系统用于单次传感器读数和数据包传送上所耗的能量中，收发器的能耗约占 50%。 有若干因素会影响能量收集系统或 WSN 的功耗特性，这些都需要考虑进来。

当然，由环境收集源所提供的收集能量取决于电源工作多久。 因此，比较能量回收源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。 能量收集系统的可用功率一般很低、随时变化且不可预测，因而通常采用了一种与能量收集器和一个辅助电能储存器相连的混合结构。 由于能量供应无限但功率不足，因此收集器便成了系统的能量源。 辅助电能储存器（电池或电容器）可产生较高的输出功率，但储存的能量较少，它在需要的时候供电，其他情况下则定期接收来自收集器的电荷。 所以，在没有可供收集电力的环境能量时，必须采用辅助电能储存器给 WSN 供电。 当然，从系统设计人员的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在不得不考虑：必须在辅助电能储存器中储存多少能量，才能补偿环境能量源的不足。

可以明确的是，WSN 可用时，必须使用极低的能量。 反过来，这也意味着系统中所用的元器件必须要能够处理这些低级别的功率。 虽然一直以来，使用收发器和微控制器已能够达到此要求，但在等式的功率转换和电池充电一侧却仍然为空。 不过，Linear Technology 专门开发的 LTC3388-1/-3 和 LTC4071 填补了这些空白。

LTC3388-1/-3 是一款能接受 20V 输入的同步降压转换器，可提供高达 50mA 的连续输出电流，采用 3mm x 3mm（或 MSOP10-E）封装 – 见图 1。 该器件在 2.7V 至 20V 的输入电压范围内工作，因而非常适用于多种能量收集和电池供电型应用，包括“持续运作”电路、传感器和工业控制电源。

图 1：LTC3388-1/-3 典型应用示意图

LTC3388-1/-3 运用迟滞同步整流方法优化了宽负载电流范围的效率。 它在 15μA 至 50mA 负载范围内可提供超过 90% 的效率，且仅需 400nA 的静态电流，从而使其能够在采用电池作为辅助电源的场合延长电池寿命。

LTC3388-1/-3 具有准确的欠压闭锁 (UVLO) 保护功能，可在输入电压降至低于 2.3V 时停用转换器，从而将静态电流减小至仅为 400nA。 一旦处于稳压状态（无负载时），LTC3388-1/-3 将进入休眠模式，以最大限度地降低静态电流至仅为 720nA。 然后，该降压转换器按需接通和断开，以保持输出调节状态。 当输出处于针对短期负载（如要求低纹波的无线调制解调器负载）的调节状态时，还提供附加待机模式来禁止切换。 这种高效率、低静态电流设计非常适合能量收集应用。此类应用需要长充电周期，同时以短猝发负载为传感器和无线调制解调器供电。

电池常常用作 WSN 中的辅助备用电源；然而，所面临的设计难题在于怎样利用低功耗电源对其进行充电，这并不是个简单的问题。 Linear 的 LTC4071 是一款并联电池充电器系统，具有集成型电池组保护和低电池电量断开功能，可保护低容量电池不会因自放电而受损。 它是一款即简单又复杂的的充电器和保护器，适用于锂离子/锂聚合物电池。 其超低的 550nA 工作电流使之能够采用以前不能用的极低电流、间歇或连续充电来源（如能量收集应用提供的来源）来充电。 电池内热调节器可降低浮充电压，以在电池温度升高时保护锂离子/锂聚合物电池、钮扣电池或薄膜电池。 LTC4071 采用扁平 8 引脚 2mm x 3mm DFN 封装，提供的是一款完整和超紧凑的充电器解决方案，只需单个外部电阻器与输入电压串联。

尽管便携式应用和能量收集系统正常工作时功率级别差异很大（从数微瓦至 1W 以上），但仍有很多功率转换 IC 可供系统设计师选择。 不过，处于功率范围的较低端，功率低至毫微功耗级别时，选择就变得有限了。

幸运的是，目前已经有了可供设计师选择的功率转换和电池充电解决方案，其低于 1μA 的静态电流可延长低功率传感器以及新一代 WSN 中持续运作电路的电池寿命。