為能量收集物聯網節點的電源轉換選項

環境能量收集功率的物聯網(IOT)傳感器節點的可能來源，但需要精心管理。除非基于太陽能或熱技術收割機，例如，被設計成與傳統的電路兼容，直流/直流轉換器需要為低電壓輸入進行優化。對于物聯網傳感器節點往往需要置于遠離可靠的電力來源，但工作了很多年。雖然長期貯存壽命電池為這些設備供電提供了一個選項，一個日益可行的替代方案是使用環境能量收集，使用來源，如光，振動和溫度的差異。與能量采集設計的關鍵問題是，權力的來源往往是充滿變數和不可預知。為電子的功能，由收割元件提供的功率需要使用一個或多個功率轉換級來調節。在大多數情況下，峰值能量可用于收集不與系統的峰值需求，這將意味著在系統內儲存的多余能量，用一個組件，如超級電容器，使得它準備在需要時可以應用一致。通常情況下，收獲將允許系統積累能量在很長一段時間，在此期間，大部分系統本身將是睡著削減電力需求。當系統喚醒獲取讀數，并通過網絡發送記錄的數據，它接入到該貯存器的積累能量。

德州儀器IV曲線圖片為典型的太陽能電池圖1：典型的太陽能電池IV曲線和可能的收獲電流兩級照射(德州儀器提供)當系統處于睡眠狀態，這部分需求的功耗要保持盡可能低的水平，以避免浪費寶貴的能源。這代表了一個嚴格的要求不只是用來提供處理電子設備的DC / DC變換器的靜態電流，而且還取決于它供應功率的作為處理器能力和相關電路喚醒。在DC / DC轉換器的設計面臨了進一步的挑戰。所收獲的能量通常是在一種形式，是難以使用。雖然壓電型和靜電型收割機通常在相對高的電壓下工作，該電壓由最能捕獲技術生成的顯著小于1 V例如，小光伏電池可以與低于0.5五電壓下工作為了能夠處理這種低電壓時，直流/直流轉換器需要提供給不只是提供升壓調節但從電壓是顯著低于主流的設計旨在電池供電系統中遇到啟動的能力。另一個考慮是，最大功率點(MPP)跟蹤。典型地，細胞在光伏模塊將產生非常小的功率時產生高電壓。當光線水平上升時，電壓將有所回落，但目前將急劇增加，直至接近其峰值水平。溫度也起到了重要作用。作為模塊加熱，模塊的輸出電壓將下降，這將降低其總能量輸出。其結果是，即使在強烈的陽光時期時，他們應該是在最高效率，光伏可以從顯著滴在轉換效率遭受如果電子電路不對此進行補償。由于電流正比于細胞大小，專為物聯網設備的小型光伏面板供應不足適用于家庭或工業發電的大型機組的電流。其結果，重要的是要限制電流通過轉換電路所吸收，以避免強制轉換器電路以閉鎖，直到系統復位。實現這一目標的最有效的方法是采用MPP跟蹤。與MPP跟蹤操作，逆變器電路可以使用的電壓和電流的最佳組合，并提供必要的阻力提供一個負載，以允許高效的能量收集。德州儀器TPS61200是DC / DC轉換器，被設計用于與電池或太陽能能源使用。升壓轉換器的TPS61200具有從電壓低至0.3 V在2μH至5μH范圍內的外部電感器的幫助和一個4.7μF的電容，以改善瞬態行為啟動的能力。該裝置有三個不同的N型溝道FET內，用于保持對轉換器的整個范圍內具有高效率的同步功率轉換。因為它需要時間來產生足夠高的電壓來驅動典型微控制器和混合信號器件，這經常需要在3伏范圍內的供給，該裝置具有兩個輸出引腳：VOUT和VAUX。在VAUX引腳允許低壓組分被盡快供電，它們能夠以低電源電壓工作條件。一旦轉換器能夠產生足夠高的輸出電壓 - 這是在該上VAUX輸出電容器被充電到2.5伏的點 - VOUT變為有效。為了避免過度的電流消耗在啟動時，轉換器限制了它的電流在第一，使電流沿與輸出電壓上升。雖然它不實現的MPP內部跟蹤，所述TPS61200可用于基于一個運算放大器，電壓參考和多個無源元件的一個相對簡單的模擬電路。技術VAUX，運算放大器應該是一個軌到軌放大器具有低功耗，能夠工作在低電源電壓。運算放大器的輸出被連接到TPS61200來控制變換器的輸出電壓，利用太陽能電池的供給的輸入電壓，比較該到電壓基準的反饋管腳。如果電壓基準由一個電位器控制，而不是由一個電阻分壓器，該電路提供給調整電路，以不同的太陽能電池的類型和不同的條件的能力。在最終應用中，電位器可以由一個固定的分壓器被替換之后被發現的特定太陽能電池的最大功率點的理想值。

一個MPP電路的TI TPS61200：MPP電路TI的TPS61200圖2的圖像。在穩態條件下，輸入電流成比例的輸出電流由轉換比率由輸出電壓分壓器設定。以降低輸入電流，MPP電路通過電流注入反饋節點減少所設置的輸出電壓，以低得多的值。在低負載電流，平均300毫安，其通常與周圍小型太陽能收割機內置設計的情況之下，轉換器進入一個省電模式，以保持高效率，在寬負載電流范圍。在這種模式下，轉換器提供能量的短脈沖。輸出電容器充當能量儲存器來平滑的脈沖。的bq25504，也由德州儀器供給，納入在MPP跟蹤電路，并設計成與任何熱或太陽能收割機操作。雖然它需要與至少為330毫伏的輸入電壓開始，一旦啟動該裝置可以收獲能量下降到80毫伏，使其適于與可處理非常小的溫度差的熱發電機使用 - 雖然顯著差異需要允許該電路啟動。隨著外部升壓變壓器的幫助和一個小耦合電容，凌力爾特LTC3108可與輸入電壓低至20 mV的操作。轉換器的低電壓能力使其能夠與塞貝克效應收割機可以與溫差低至1℃的操作使用。這些小的差別通常在身體佩帶的傳感器，其中的主要熱源是人的皮膚的溫度和它們的直接環境之間的差遇到。轉換器的振蕩頻率是由變壓器次級繞組的電感確定，并且通常在10千赫至100千赫的范圍內。對于輸入電壓低至20 mV的，約1初級次級匝數比：100推薦的線性。類似于TPS61200，以允許與兩個低電壓，永久有源電路和睡眠功能的微處理器使用，有多個電壓輸出。還有永久啟用VAUX時，LTC3018已經不僅僅是一個VOUT引腳能夠產生高達3.3 V的，但也有2.2 V LDO的輸出設計為與低功耗微控制器使用。為了幫助支持能量采集應用，將Cymbet和IXYS開發小型便攜式太陽能電池。所述Cymbet的CBC-PV-01是在與大約30平方厘米的收集區域的玻璃基板的低電壓非晶硅太陽能電池。其典型工作電壓為0.8V約為200μA，在200勒克斯熒光燈下的輸出電流。組織成一個小串的細胞的SOP8封裝里面，IXYS CPC1822提供更高的輸出電壓比單個細胞，允許與更普通DC / DC轉換器的使用。額定輸出電壓為4V，在直接陽光和人造光運作，提供下6000勒克司陽光直射的50微安的短路電流。由于物聯網設備變得越來越普遍，我們可以期待一個更側重于DC / DC轉換器，提供高效率升壓轉換以及專門的收割機提供與開關模式電源技術更好的兼容性。