基于LTC3388-1的低功率能量收集電路設(shè)計(jì)

在全球，我們的周圍存在大量的環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法已在太陽(yáng)能板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)上使用。 但是，仍有新型收集工具可從大量環(huán)境來(lái)源生成電能。 不僅如此，這其中的重點(diǎn)并不在于電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而是更多地在于可為電路供電的“平均收集到的”能量總量。 例如：熱電發(fā)生器可將熱量轉(zhuǎn)換為電力、壓電元件可轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)能、光伏元件用于轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光能（或任何光子源）、而流電元件則可從濕氣轉(zhuǎn)換出能量。 這就有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者對(duì)電能存儲(chǔ)器件（例如：電容器或薄膜電池）進(jìn)行充電，這樣微處理器或發(fā)射器無(wú)需本地電源即可從遠(yuǎn)處獲得電能。

不過(guò)，由于這些能量處在功率譜的“低”端，因此無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 和傳感器中的毫微功率轉(zhuǎn)換變得越來(lái)越普遍，需要功率轉(zhuǎn)換 IC 能夠工作非常低的功率和電流水平下。 通常分別是幾十微瓦 (μW) 功率和幾十納安 (nA) 電流。 但是，工作電流低于 1μA 的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品（包括電池充電器）的供應(yīng)卻是極其有限。

一般地說(shuō)，要想被上述這些應(yīng)用所接納和采用，電源轉(zhuǎn)換 IC 必需具備的性能特征包括：

低待機(jī)靜態(tài)電流 – 通常小于 6μA，并可低至 450nA

低啟動(dòng)電壓 – 可低至 20 mV

高輸入電壓能力 – 高達(dá) 34 V（連續(xù)）和 40 V（瞬態(tài)）

能夠處理 AC 輸入

多路輸出能力和自主型系統(tǒng)電源管理

針對(duì)太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制最大功率 (MPPC) 功能

解決方案小巧緊湊、外部組件極少

WSN 基本上屬于自足式系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的傳感器會(huì)將環(huán)境能量源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，隨后通常由 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器向下行電子元件供給合適的電壓和電流。 下行電子元件包括一個(gè)微控制器、一個(gè)傳感器和一個(gè)收發(fā)器。

嘗試實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，要考慮的重要問題是：運(yùn)作它需要多少功率？ 從概念上講，此問題的答案貌似直觀明了；但實(shí)際上，由于存在多種因素，回答此問題頗有幾分難度。 例如，需要多久獲取一次讀數(shù)？ 或者，再考慮兩個(gè)更重要的問題：數(shù)據(jù)包會(huì)有多大？傳送數(shù)據(jù)包需要多少功率？ 這是由于在系統(tǒng)用于單次傳感器讀數(shù)和數(shù)據(jù)包傳送上所耗的能量中，收發(fā)器的能耗約占 50%。 有若干因素會(huì)影響能量收集系統(tǒng)或 WSN 的功耗特性，這些都需要考慮進(jìn)來(lái)。

當(dāng)然，由環(huán)境收集源所提供的收集能量取決于電源工作多久。 因此，比較能量回收源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。 能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低、隨時(shí)變化且不可預(yù)測(cè)，因而通常采用了一種與能量收集器和一個(gè)輔助電能儲(chǔ)存器相連的混合結(jié)構(gòu)。 由于能量供應(yīng)無(wú)限但功率不足，因此收集器便成了系統(tǒng)的能量源。 輔助電能儲(chǔ)存器（電池或電容器）可產(chǎn)生較高的輸出功率，但儲(chǔ)存的能量較少，它在需要的時(shí)候供電，其他情況下則定期接收來(lái)自收集器的電荷。 所以，在沒有可供收集電力的環(huán)境能量時(shí)，必須采用輔助電能儲(chǔ)存器給 WSN 供電。 當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在不得不考慮：必須在輔助電能儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存多少能量，才能補(bǔ)償環(huán)境能量源的不足。

可以明確的是，WSN 可用時(shí)，必須使用極低的能量。 反過(guò)來(lái)，這也意味著系統(tǒng)中所用的元器件必須要能夠處理這些低級(jí)別的功率。 雖然一直以來(lái)，使用收發(fā)器和微控制器已能夠達(dá)到此要求，但在等式的功率轉(zhuǎn)換和電池充電一側(cè)卻仍然為空。 不過(guò)，Linear Technology 專門開發(fā)的 LTC3388-1/-3 和 LTC4071 填補(bǔ)了這些空白。

LTC3388-1/-3 是一款能接受 20V 輸入的同步降壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá) 50mA 的連續(xù)輸出電流，采用 3mm x 3mm（或 MSOP10-E）封裝 – 見圖 1。 該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電型應(yīng)用，包括“持續(xù)運(yùn)作”電路、傳感器和工業(yè)控制電源。

LTC3388-1/-3 運(yùn)用遲滯同步整流方法優(yōu)化了寬負(fù)載電流范圍的效率。 它在 15μA 至 50mA 負(fù)載范圍內(nèi)可提供超過(guò) 90% 的效率，且僅需 400nA 的靜態(tài)電流，從而使其能夠在采用電池作為輔助電源的場(chǎng)合延長(zhǎng)電池壽命。

LTC3388-1/-3 具有準(zhǔn)確的欠壓閉鎖 (UVLO) 保護(hù)功能，可在輸入電壓降至低于 2.3V 時(shí)停用轉(zhuǎn)換器，從而將靜態(tài)電流減小至僅為 400nA。 一旦處于穩(wěn)壓狀態(tài)（無(wú)負(fù)載時(shí)），LTC3388-1/-3 將進(jìn)入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流至僅為 720nA。 然后，該降壓轉(zhuǎn)換器按需接通和斷開，以保持輸出調(diào)節(jié)狀態(tài)。 當(dāng)輸出處于針對(duì)短期負(fù)載（如要求低紋波的無(wú)線調(diào)制解調(diào)器負(fù)載）的調(diào)節(jié)狀態(tài)時(shí)，還提供附加待機(jī)模式來(lái)禁止切換。 這種高效率、低靜態(tài)電流設(shè)計(jì)非常適合能量收集應(yīng)用。此類應(yīng)用需要長(zhǎng)充電周期，同時(shí)以短猝發(fā)負(fù)載為傳感器和無(wú)線調(diào)制解調(diào)器供電。

電池常常用作 WSN 中的輔助備用電源；然而，所面臨的設(shè)計(jì)難題在于怎樣利用低功耗電源對(duì)其進(jìn)行充電，這并不是個(gè)簡(jiǎn)單的問題。 Linear 的 LTC4071 是一款并聯(lián)電池充電器系統(tǒng)，具有集成型電池組保護(hù)和低電池電量斷開功能，可保護(hù)低容量電池不會(huì)因自放電而受損。 它是一款即簡(jiǎn)單又復(fù)雜的的充電器和保護(hù)器，適用于鋰離子/鋰聚合物電池。 其超低的 550nA 工作電流使之能夠采用以前不能用的極低電流、間歇或連續(xù)充電來(lái)源（如能量收集應(yīng)用提供的來(lái)源）來(lái)充電。 電池內(nèi)熱調(diào)節(jié)器可降低浮充電壓，以在電池溫度升高時(shí)保護(hù)鋰離子/鋰聚合物電池、鈕扣電池或薄膜電池。 LTC4071 采用扁平 8 引腳 2mm x 3mm DFN 封裝，提供的是一款完整和超緊湊的充電器解決方案，只需單個(gè)外部電阻器與輸入電壓串聯(lián)。

盡管便攜式應(yīng)用和能量收集系統(tǒng)正常工作時(shí)功率級(jí)別差異很大（從數(shù)微瓦至 1W 以上），但仍有很多功率轉(zhuǎn)換 IC 可供系統(tǒng)設(shè)計(jì)師選擇。 不過(guò)，處于功率范圍的較低端，功率低至毫微功耗級(jí)別時(shí)，選擇就變得有限了。

幸運(yùn)的是，目前已經(jīng)有了可供設(shè)計(jì)師選擇的功率轉(zhuǎn)換和電池充電解決方案，其低于 1μA 的靜態(tài)電流可延長(zhǎng)低功率傳感器以及新一代 WSN 中持續(xù)運(yùn)作電路的電池壽命。

10