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详解为更小能量采集应用设计的电源管理集成电路

Frederik Dostal?? 2015年11月03日 ?? 收藏2
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。

图1. 能量采集系统设置
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。

图2. 不同的能量来源和不同应用所需的能量要求
图2. 不同的能量来源和不同应用所需的能量要求

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