增壓模塊與收獲存儲模塊在能量收集設(shè)計中的應(yīng)用

能量收集應(yīng)用的可行性通常取決于能夠在低電流和/或低電壓下有效提取極低功率的組件，并將這些組件提供給蓄電池或電容器。前提很簡單：環(huán)境能量的清除劑僅依賴于它們的給定和可用的東西，有時更多，有時更少。

這個不言而喻的事實非常重視升壓低壓升壓器等產(chǎn)品，這些升壓器是自供電模塊，可將低直流電壓輸入轉(zhuǎn)換為適用于低功率能量收集的更高交流或直流電壓輸出使用光電二極管，熱電或電磁發(fā)生器作為輸入源的應(yīng)用。

例如，考慮使用Advanced Linear Devices EH4205，主要用于驅(qū)動負(fù)載，例如公司的ALD EH300/EH301系列能量收集模塊。 EH4205的交流輸出通過雙線電纜直接連接到EH300/EH301模塊的輸入端子。 EH300/EH301模塊可接受來自多種電能源的能量，并將此能量存儲在傳統(tǒng)的3.3 V和5.0 V電路和系統(tǒng)中。它們還可用于涓流充電應(yīng)用，例如電池充電器或超級電容充電器，即使在能量輸入未得到良好控制或調(diào)節(jié)的情況下也是如此。

為了測試模塊在特定用途中的適用性，提供了幾個評估套件，其中增壓模塊與收獲存儲模塊配合使用（圖1）。一個例子是EH4205/EH300KIT套件，其中包括EH4205增壓器和EH300收割機(jī)。

圖1：Advanced Linear Devices Inc. EH4205/EH300KIT評估套件。

EH4205/EH300KIT增壓 - 收割機(jī)演示系統(tǒng)的容量和物理尺寸均處于小端。減小尺寸自然是有利的，但這些并不限制性能，盡管與該公司的其他產(chǎn)品系列相比，該收割機(jī)模塊的容量減少了。 EH4205增壓器設(shè)計用于在最低電壓和功率水平下進(jìn)行能量收集;該模塊從低至200μW開始輸出功率電平，從而實現(xiàn)板載自啟動振蕩器。該模塊用于提取輸入電壓低至80 mV的能量。增壓器模塊提供75的直流電壓增益，允許高達(dá)6 V的輸出電壓。

對于能量收集，EH4205非常適用于低壓電源，如單個光伏電池或熱電發(fā)電機(jī)。該模塊僅從掃氣能量中獲取能量，因此能量存儲部件不會消耗。一旦能量傳感器提供電壓，就會啟動。

圖2：Advanced Linear Devices Inc. EH4205升壓模塊。

EH4205圍繞變壓器設(shè)計，可提供升壓電壓。升壓電路啟動是該器件成功實現(xiàn)超低功耗性能的關(guān)鍵。增壓器模塊包含一個自啟動振蕩器，其固有頻率為9 kHz。該系統(tǒng)依賴于耦合到Advanced Linear Devices EPAD MOSFET陣列的變壓器。

簡而言之，變壓器EPAD-MOSFET系統(tǒng)的自振蕩操作可以用以下方式描述。能量源通過電容器耦合，該電容器對驅(qū)動變壓器初級繞組的輸入進(jìn)行濾波和積分。同時接通EPAD MOSFET陣列。初級繞組中的電流在次級變壓器繞組中感應(yīng)出相應(yīng)的電流。 RC網(wǎng)絡(luò)為MOSFET陣列提供負(fù)反饋，將其關(guān)閉。然后，電路將MOSFET循環(huán)回到ON狀態(tài)，并重復(fù)該過程。

這種自啟動振蕩器升壓電路可以捕獲非常低的電平，因為可以在低于1μW的輸入功率下啟動振蕩。啟動振蕩的最小輸入電壓為120 mV，如果輸入降至80 mV，則操作將繼續(xù)。這種極低的輸入電壓規(guī)格為能量收集開辟了許多新的應(yīng)用，但它并沒有將升壓操作限制在非常低的電壓。升壓模塊的設(shè)計使其能夠接受高達(dá)3 V的各種輸入，僅受最大輸出電壓15 V的限制。

EH4205的交流輸出旨在驅(qū)動其伴隨能量收集模塊。然而，電路板允許用戶添加全波整流器，以允許升壓電路使用掃描電源為電池或超級電容器充電。

增壓器模塊的首選配置是將其耦合到能量收集兄弟。 EH300能量收集模塊的尺寸非常方便，以適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)AA電池的體積。能量存儲在板載電容器組中。操作變得更簡單，因為收獲模塊以完全配置和校準(zhǔn)的狀態(tài)運(yùn)輸，不需要用戶輸入或模式設(shè)置。

圖3：Advanced Linear Devices Inc. EH300收集器模塊。

考慮到收集模塊允許的輸入電壓范圍，很明顯EH300模塊是升壓模塊的理想伴侶。收割機(jī)模塊始終處于活動狀態(tài)，適用于任何非零輸入電壓。 EH300可接受0 V至±500 V的交流或直流電壓。此外，輸入電流可達(dá)0.2至400 mA。收集模塊根據(jù)用戶要求調(diào)節(jié)和輸出1.8 V或3.6 V。有用的能量輸出為4.6 mJ，而額定時間的輸出為68 ms，25 mA。 EH300能量收集模塊可在接收僅1μA的平均電流后40分鐘內(nèi)存儲完全充電。

Advanced Linear Devices能量收集模塊始終處于活動模式。 EH300采用存儲電容而非電池設(shè)計。因此，最合適的應(yīng)用是非常低功率和不頻繁的低占空比操作，例如基于狀態(tài)的監(jiān)視。電容儲能使EH300非常適合需要極端壽命運(yùn)行的系統(tǒng)。

早些時候我們提到過Advanced Linear Products的EPAD技術(shù)。從字面上看，EPAD代表電可編程模擬設(shè)備。 EPAD技術(shù)允許對器件參數(shù)進(jìn)行電氣微調(diào)，而無需采用傳統(tǒng)技術(shù)，如晶圓制造期間的激光微調(diào)。 EPAD技術(shù)允許使用CMOS器件對MOSFET閾值電壓和導(dǎo)通電阻進(jìn)行電氣編程，以實現(xiàn)精確的模擬操作。