能量采集功率转换的新进展

能量采集技术已经面世很长时间了。我依然记得1980年代,我的袖珍计算器采用太阳能电池为计算单元和LCD显示器供电。甚至在此之前的电气革命早期阶段,便已将发电装置或者发电机放在河上磨坊里,通过奔腾的水流发电并获取可供使用的能源。现在,当我们讨论能量采集的时候,我们一般指用来代替电子设备中电池。因此,1980年的袖珍计算器例子非常符合我们现在所说的"能量采集"。

能量采集系统设置

显然,能量采集系统中最重要的就是采集器了,而最常见的是太阳能电池。采集器产生的电能需转换为有用的电压或电流,才能为系统供电,或者为超级电容和电池等中间储能设备充电。系统上电后,需针对电子设备产生正确的电压。图1显示了能满足各种不同任务需要的电源管理单元。使输入阻抗匹配,以便最大程度采集能量、为中间储能设备充电、从传统一次电池转移电能、为系统生成正确的输出电压以及监控电流流动和电压,从而形成一个可靠的系统。所有这些任务都必须在极低的电源功率条件下实现,以便系统能够采用小型采集器或传感器。这些功能高度集成在DC-DC转换器中,有助于降低这类任务所需的电能。

图1中的系统显示了一个用于无线环境传感器的典型能量采集系统。这些传感器通常用来检测温度、湿度或各种气体,比如二氧化碳。能量采集还有很多其它应用。无线占位传感器或工业监控(比如资产追踪和机器监控)中的安全与安保方面属于工业应用。

能量采集还用于消费电子设备中,比如便携式设备和可穿戴设备。在家庭医疗保健应用中,无线病人监护需要在无电池的情况下使用,或者延长电池寿命。

能量采集是目前非常流行的一个话题。很多工程师都必须评估能量采集解决方案是否能代替或补充现有的能源解决方案。这类系统目前如此受欢迎的原因是我们最终达到了一个均衡点,即从相对成本较低且尺寸较小的采集器获得的能量足以为极低功耗微控制器和RF电路供电。过去数年内,电子产品的更新换代和能耗都有了进步,因此5到10年前不可行的很多应用现在都得以实现,且经济实惠。

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图1. 能量采集系统设置

不同的能量来源

能量有各种来源,最常见的是光伏(PV)、热电(TEG)、电磁、压电和RF。光伏和热电采集器产生直流电压,而电磁、压电和RF采集器产生交变电压或交流电压。这便使得电源转换技术的要求稍有不同。

图2显示了不同的采集类型,以及一个尺寸为10平方厘米的采集器大致可以产生的能源量。该图左侧显示产生的能源,右侧显示针对不同任务的功耗。注意,中间的功率尺度取对数。这张图很重要,可以从中获得切实可行的设计思路。很多时候,设计人员的工作和精力花费在评估能量采集解决方案上,最后却发现所采集的能量不足以为特定系统供电。

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图2. 不同的能量来源和不同应用所需的能量要求

DC-DC转换器单元的重要性

电源转换和管理通常是现代能量采集系统的核心组件。虽然某些应用并不采用复杂的功率器件,但更多应用的功率器件较为复杂。不含智能电源管理的系统示例有链式太阳能电池堆栈,可生成相对较高的直流电压,直接为系统供电或在两者之间放置一个简单的线性稳压器后供电。这类系统通常达不到最佳的能效,或者电源电压不能良好调节。虽然某些负载可以在变化较大的电源电压下工作,但另一些不行。此外,更高级的系统倾向于要求使用某类电压转换器和管理模块。

Figure 3
图3. 适合能量采集应用的电源管理器件功能框图

图3显示了适合能量采集应用的现代电源管理器件的功能框图。它包含启动电路,该电路带电荷泵,使输入端上的启动电压为380 mV。系统运行后,ADP5090的内部电路由ADP5090的输出电压供电。它也是为能量采集系统负载供电的节点。当节点高于1.9 V时,输入电压可下降至80 mV,但依然可采集能量。这对于那些在非最优情况下花了很多时间的系统而言非常有用,比如采用太阳能电池供电的室内传感器。太阳能电池在早上和晚上受到的光照可能很少,进而产生的电能也非常少。在这些时间内采集一定能量有利于给定时间段内的总功率预算。ADP5090具有低静态电流特性,因而从另一方面改善了这类情况。需注意的是,其功耗仅为260 nA。图4显示了一个典型的实际应用。该曲线显示了住宅楼内的不同位置,以及采用太阳能电池的传感器处于黑暗中的典型时间。当然,这只是一个典型案例。传感器接收的光量取决于房子的结构,包括窗户数量、在用的电灯数量以及传感器的确切位置。此外,一年中的季节和房子的位置也会影响这类图形。重点在于,在这种变化较大的照明条件下,ADP5090的低功耗特性对总功率预算极为有帮助,尤其是那些大部分时间都处于黑暗中的场所。

Figure 4
图4. 不同住宅楼位置的传感器处于黑暗中的典型时间

ADP5090中的DC-DC转换器级很有意思。正如大部分DC-DC转换器,它具有调节环路。然而,它既不会调节输出电压,也不会调节输出电流。调节环路主要以调节输入阻抗的方式设置。

太阳能电池的电流和电压表现如图5所示。在开环条件下,没有电流流过时,所提供的电压达到最大值。然后,随着电流流动,电压开始下降。在极高的电流下,电压下降得非常快。在曲线的中部形成了一个膝盖形状,它就是峰值功率点。在该点处,电压依然相对较高,但吸取了较多电流。为了在最大峰值功率点处工作,我们需要跟踪这一点。仅设置一个我们所描绘的固定电流值是无法工作的,因为图5中特定太阳能电池的曲线将根据不同的光照条件而发生偏移。如需跟踪MPP(最大峰值功率点),则ADP5090停止在输入端传导电流并在不加载 太阳能电池电压的情况下检查该电压,然后设置下一个16秒的MPP。经过此时间周期之后,再次执行开环检查。16秒是个良好的折衷点,既远离MPP漂移,又不会过于频繁地中断采集操作。

Figure 5
图5. 典型光伏电池的电压和电流曲线

MPP跟踪确保大部分能量从光伏电池或热电发生器等电源采集,但电源管理单元还有其它任务。例如,它需要在某个电压窗口内控制输出电压。ADP5090用作电流源,为超级电容或电池充电。此元件对于消耗能量的能量采集而言很重要。这样可以实现很多没有恒定可用能量供采集并以指定间隔执行某些系统任务的系统。例如,无线传感器网络中的某个传感器需要每隔5分钟发送一次温度值。如果该传感器由太阳能电池供电,由于中间储能单元,系统依然可以在没有光照的情况下工作。

目前一个非常受欢迎的架构是将能量采集设备加入一次电池供电的系统中。使用不可充电电池的产品可以成功地通过加入能量采集功能来延长系统寿命。这样可以延长工作时间,而不会影响系统的可靠性。针对这类混合系统,ADP5090提供控制一次电池的能力。当没有足够的采集能量时,一次电池的电源路径便转而直接为负载供电。

Figure 6
图6. 适合能量采集应用的电源管理级示例

图6显示了一个完整的能量采集功率级,不仅包含主ADP5090 MPPT能量采集IC,还带有一个备用IC,即ADP5310。它是一款DC-DC转换器,可以非常高效地产生两路输出电压。在100 μA输出电流时,其效率接近90%。此外,ADP5310还集成了一个负载开关。此负载开关可用来关闭那些持续消耗能量的负载,哪怕这些负载并未使用。

ADP5310降压转换器支持的输入电压最高达15 V。因此,这款器件可以直接用于交流电压生成器,比如压电类或电磁类发生器。只需一个桥式整流器,输出电压便可直接馈入ADP5310。

现在,很多电源管理集成电路均针对能量采集应用而专门设计。它们可让系统支持更小的采集器,或者实现数年前无法设计出来的能量采集解决方案。系统设计人员有一些好的想法现在正在实施中,不久之后我们就能见证它们的实现并赞叹不已。


作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根-纽伦堡大学微电子学专业。他于2001年开始工作,涉足电源管理业务,曾担任多种应用工程师职位,并在亚利桑那州凤凰城工作了4年,负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司,现担任位于德国慕尼黑的ADI公司的电源管理现场应用工程师。