環(huán)境能源可以提供幾乎連續(xù)的功率來(lái)運(yùn)行超低功耗電路。然而,當(dāng)環(huán)境源波動(dòng)很大并且可能損害足夠的穩(wěn)態(tài)功率時(shí),備用電源可以使這些應(yīng)用保持運(yùn)行,甚至可以提供峰值功率突發(fā)所需的能量。使用可用的能量存儲(chǔ)設(shè)備和電源管理IC,工程師可以構(gòu)建能量收集電路,即使環(huán)境功率暫時(shí)存在間隙或功耗間歇性峰值,也能夠更可靠地保持功能。
超低功耗IC使電路設(shè)計(jì)人員能夠在各種應(yīng)用中利用能量收集技術(shù)。在最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)中,能量傳感器將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為足以為超低功耗ADC,DAC和MCU供電的水平。在無(wú)線傳感器等應(yīng)用中,無(wú)線電操作會(huì)引入間歇性峰值功率需求(圖1)。即使持續(xù)時(shí)間最短的無(wú)線電突發(fā),峰值功率要求也很容易超過(guò)低能量環(huán)境源的瞬時(shí)功率水平(表1)。
圖1:即使是功率最高的IC,無(wú)線通信也會(huì)在接收和發(fā)送操作期間增加大量功率需求(德州儀器提供)。
表1:主要環(huán)境源的典型采集功率(由Imec提供)。
除了無(wú)線應(yīng)用中的電源突發(fā)外,當(dāng)光源被阻擋,振動(dòng)模式安靜或其他環(huán)境源暫時(shí)暫停時(shí),環(huán)境供電設(shè)計(jì)可能會(huì)面臨停電期。在這些情況下,完全斷電需要序列重啟操作,以確保在能量收集子系統(tǒng)通電后應(yīng)用電路以正確的功率水平啟動(dòng)。實(shí)際上,當(dāng)從缺乏所需環(huán)境源的長(zhǎng)期存儲(chǔ)區(qū)域移除能量收集模塊時(shí),任何能量收集設(shè)計(jì)都可能面臨這種情況。對(duì)于諸如無(wú)線傳感器之類(lèi)的應(yīng)用,期望可靠地提供接近連續(xù)的監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)流,由于間歇性功率損耗而反復(fù)重新初始化設(shè)計(jì)的需要是不可接受的。
為了確保在峰值需求期間運(yùn)行甚至間歇性地?fù)p失環(huán)境源,能量采集設(shè)計(jì)通?;诎芰看鎯?chǔ)和相關(guān)電源管理控制器的電力系統(tǒng)(圖2)。除了為每個(gè)系統(tǒng)組件提供專用設(shè)備外,集成設(shè)備還可根據(jù)能量收集為許多應(yīng)用提供完整的解決方案。
圖2:對(duì)于由環(huán)境能量供電的典型無(wú)線傳感器設(shè)計(jì),能量存儲(chǔ)和功率控制器是必要的補(bǔ)充,以支持無(wú)線子系統(tǒng)的峰值功率需求(圖片由瑞薩)。
薄膜鋰離子儲(chǔ)能裝置通常選用超級(jí)電容器,以滿足長(zhǎng)期存儲(chǔ)需求;反過(guò)來(lái),超級(jí)電容器非常適用于以高電流負(fù)載短脈沖為特征的應(yīng)用。諸如Cymbet EnerChip?固態(tài)電池之類(lèi)的薄膜存儲(chǔ)設(shè)備具有較低的自放電率,并在較大的放電周期內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出電壓。
為了實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)設(shè)備的充電電路,設(shè)計(jì)人員可以使用保護(hù)設(shè)備,如凌力爾特公司的LTC4071,它提供充電和電池保護(hù)功能。 LTC4071專為能量收集等極低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì),可以從極低電流,間歇或連續(xù)充電電源為鋰離子電池充電。 LTC4071具有近零電流,低電池閉鎖斷開(kāi)功能,可在電池電壓過(guò)低時(shí)將電路與電路斷開(kāi),從而保護(hù)電池免受過(guò)放電和潛在的無(wú)法修復(fù)的損壞。
Cymbet還在其EnerChip CC CBC3105中提供集成的充電和保護(hù)功能,該功能將電源管理電路與固態(tài)電池相結(jié)合(圖3)。在正常操作期間,EnerChip CC使用內(nèi)部電荷泵為受控電壓充電。當(dāng)主電源電壓低于用戶設(shè)定的閾值電壓時(shí),器件將片上存儲(chǔ)器件輸出路由至VOUT。
圖3:Cymbet EnerChip CC將片上能量存儲(chǔ)與集成電源管理功能相結(jié)合,能夠支持多個(gè)固態(tài)電池(由Cymbet提供)。
為了向應(yīng)用電路提供穩(wěn)壓電源,工程師可以使用超低功耗低壓差(LDO)穩(wěn)壓器(如ADI公司的ADP162)和欠壓檢測(cè)器等實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的控制器(再次參見(jiàn)圖1)作為安森美半導(dǎo)體的NCP302控制器,它提供欠壓鎖定和過(guò)壓保護(hù)。通過(guò)將NCP302的輸出連接到ADP162的關(guān)斷引腳,工程師可以確保僅在電源電壓達(dá)到適當(dāng)電平時(shí)才為負(fù)載供電。
凌力爾特公司的LTC3588-1為能量收集提供單芯片解決方案,LTC3588-1集成了用于從傳感器獲取能量的電路和電源管理電路,為負(fù)載提供穩(wěn)壓輸出。使用Linear LTC4071進(jìn)行電池保護(hù),這些器件的組合簡(jiǎn)化了帶有備用電源的能量收集應(yīng)用的設(shè)計(jì)(圖4)。
圖4:凌力爾特公司LTC3588-1與Linear LTC4071電池保護(hù)器件配合使用,可提供完整的電池備份能量收集解決方案。這里,這些裝置被配置為使用壓電換能器來(lái)獲取振動(dòng)能量(Courtesy of Linear Technology)。
德州儀器(TI)BQ25504等設(shè)備進(jìn)一步簡(jiǎn)化了能量采集設(shè)計(jì)中的備用電源的實(shí)施。 BQ25504專為能量采集應(yīng)用而設(shè)計(jì),結(jié)合了片上電池充電器和升壓轉(zhuǎn)換器,能夠從低壓電源中提取電能。該器件需要330 mV才能啟動(dòng)升壓轉(zhuǎn)換器,但一旦啟動(dòng),它就可以從低至80 mV的輸入電壓中獲取能量。
同樣,Maxim Integrated MAX17710為低壓能量收集和電池管理提供集成解決方案。能夠從低至75 mV的電源獲取能量,只要輸入電壓超過(guò)存儲(chǔ)設(shè)備電壓,該設(shè)備就可以直接從環(huán)境源為存儲(chǔ)設(shè)備充電。當(dāng)存儲(chǔ)電壓上升到規(guī)定閾值以上時(shí),輸入線性穩(wěn)壓器開(kāi)啟以保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)備免于過(guò)充電。當(dāng)存儲(chǔ)設(shè)備放電至閾值電壓時(shí),器件的欠壓鎖定(UVLO)功能會(huì)禁用輸出電壓調(diào)節(jié)器,斷開(kāi)負(fù)載以保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)備免于過(guò)放電(圖5)。
圖5:Maxim Integrated Products的MAX17710等集成能量采集器件提供電池保護(hù)功能,可斷開(kāi)負(fù)載以保護(hù)存儲(chǔ)設(shè)備免受過(guò)放電的影響(圖片由Maxim Integrated Products)。
結(jié)論
電源備份有助于確保從環(huán)境源供電的電路的長(zhǎng)期功能,這些電路的能量輸出可能差異很大。對(duì)于諸如無(wú)線傳感器之類(lèi)的設(shè)計(jì),其間歇性峰值功率要求超過(guò)這些源的穩(wěn)態(tài)功率輸出,備用電源對(duì)于正常操作至關(guān)重要。通過(guò)結(jié)合使用固態(tài)存儲(chǔ)設(shè)備和電池保護(hù)組件,設(shè)計(jì)人員可以輕松地為超低功耗能量采集設(shè)計(jì)添加電源備份功能。
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