能量收集系統介紹

低功率技術領域的進步使得在多種應用中建立無線傳感器網絡變得更加容易，如遠端取樣、HVAC 監視、資產跟蹤和工業自動化應用。問題是，甚至無線傳感器也需要定期更換的電池，而這是一項昂貴和復雜的維護任務。一種較好的無線電源解決方案是從傳感器所在環境收集機械、熱或電磁能。

　　一般情況下，可收集的環境能量在數十 mW，因此能量收集需要仔細的功率管理，以成功獲取數 mW 的環境能量，并將其存儲在一個可使用的能量庫中。一種常見的環境能源是機械振動能，這種能量由工廠中運行的發動機、風扇葉片上的氣流、甚至行駛的車輛產生。壓電換能器可用來將這種振動能轉換成電能，電能再用來給電路供電。

　　為了管理能量收集和能量向系統的釋放，LTC3588-1 壓電能量收集電源 (圖 1) 集成了一個低損耗內部橋式整流器和一個同步降壓型 DC/DC 轉換器。該裝置運用一種高效的能量收集算法以收集和存儲來自高阻抗壓電元件的能量，這些壓電元件可能具有大約幾十mA 的短路電流。

　　能量收集系統常常必須支持比壓電器件能產生的電流高得多的峰值負載電流，因此 LTC3588-1 能夠積累能量，然后再以短的能量突發向負載釋放能量。當然，就連續運行而言，這類突發能量必須以低占空比提供，以便在突發期間總的輸出能量不超過在能量積累周期中所累積的平均電源能量。一個以固定時間間隔進行測量、并在兩次測量之間發送數據并斷電的傳感器系統是能量收集解決方案的首選。

　　能量收集的關鍵是低靜態電流

　　能量收集過程依賴低靜態電流能量積累階段。LTC3588-1 通過欠壓閉鎖 (UVLO) 模式來實現，該模式具有寬的遲滯窗口，吸取不到 1mA 的靜態電流。UVLO 模式允許在一個輸入電容器上積累電荷，直到內部降壓型轉換器能夠高效率地將部分存儲的電荷傳送到輸出為止。

　　圖2顯示了 UVLO 靜態電流曲線，該曲線是隨 VIN 單調變化的，因此一個低至 700nA 的電流源就可以將輸入電容器充電至 UVLO 的上升門限，從而產生一個穩定的輸出。一旦達到穩定，LTC3588-1 就進入休眠狀態，在這狀態下，輸入和輸出靜態電流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，輸出穩定時，靜態電流僅為 950nA。然后降壓型轉換器按照需要接通和斷開，以保持穩定。在休眠模式和 UVLO 模式，低靜態電流都允許在輸入電容器庫中積累盡可能多的能量，即使可用電源電流非常低也不例外。

　　當 VIN 達到 UVLO 上升門限時，集成的高效率同步降壓型轉換器接通，并開始從輸入電容器向輸出電容器傳送能量。該降壓型穩壓器運用一種遲滯電壓算法，通過來自 VOUT 檢測引腳的內部反饋控制輸出。通過一個內部 PMOS 開關使電感器電流斜坡上升至高達 250mA，然后再通過一個內部 NMOS 開關使該電流斜坡下降至零，憑借這一過程，該降壓型穩壓器通過一個電感器將輸出電容器充電至略高于穩定點的值。這樣可以高效率地向輸出電容器提供能量。

　　如果在輸出電壓達到穩定之前，輸入電壓下降至低于 UVLO 下降門限，那么降壓型轉換器關閉，而且不再接通，直到輸入電壓上升至高于 UVLO 上升門限為止。這期間，VOUT 檢測引腳上的泄漏不高于 90nA，輸出電壓仍然保持接近它在降壓型穩壓器切換時所達到的值。圖 3 顯示一個由 2mA 電流源充電的 LTC3588-1 典型啟動波形。當同步降壓型穩壓器使輸出電壓進入穩定時，該轉換器進入低靜態電流休眠狀態，該狀態用休眠比較器監視輸出電壓。在這種運行模式時，負載電流由降壓型轉換器的輸出電容器提供。當輸出電壓下降至低于穩定點時，該降壓型穩壓器醒來，重復上述周期。這種提供穩定輸出的遲滯方法最大限度地降低了與 FET 切換有關的損耗，并使在非常輕的負載時進行高效率調節成為可能。

　　該降壓型轉換器正在切換時，提供高達 100mA 的平均負載電流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 這 4 個輸出電壓是引腳可選的，以方便為微處理器、傳感器和無線發送器供電。圖 4 顯示在穩定和休眠時極低的靜態電流，這允許在輕負載時高效率運行。盡管切換時降壓型穩壓器的靜態電流遠高于休眠靜態電流，但是它在負載電流中所占百分數仍然很小，從而在多種負載條件下實現了高效率 (圖 5)。

　　降壓型轉換器僅在輸入電容器中積累了充足的能量時才工作，它以短突發將能量傳送到輸出，短突發所用時間遠短于積累能量所需的時間。當降壓型轉換器工作時的靜態電流在整個積累/突發周期中平均時，平均靜態電流非常低，從而非常容易提供收集少量環境能量的電源。穩定狀態時極低的靜態電流允許 LTC3588-1 在負載不到 100mA 時實現高效率。