满足穿戴式产品应用 低功率能量采集技术不可或缺
能源在环境中无所不在，举凡人类的体温、室内照明甚至黄昏日光的光能，以及日常身体移动产生的动能，都可透过低功率能量采集技术转换成电力。对穿戴式装置等无法内建大型电池的应用来说，若能加以采集，则运作时间将可大幅延长。
能源在环境中无所不在，举凡人类的体温、室内照明甚至黄昏日光的光能，以及日常身体移动产生的动能，都可透过低功率能量采集技术转换成电力。对穿戴式装置等无法内建大型电池的应用来说，若能加以采集，则运作时间将可大幅延长。
支持物联网(IoT)的无线传感器正在大幅增加，而这也提高了因应较低功率无线装置而订制、小型、纤巧和高效率电源转换器的需求。最近IoT市场中新出现的市场之一是穿戴式电子产品市场，从能量采集的角度来看，这个市场区隔尤其令人感兴趣。
当然，穿戴式技术不仅因应人类需求，还有很多应用是针对动物的。最近出现的例子，包括电子马鞍优化及针对其他动物的颈圈，这类颈圈以各种方式完成追踪、识别和诊断等任务。
不过，不管用于什么样的应用，这类产品大多数都需要一块电池来作为主电源，即使电池会以环境能源(如果有环境能源可用)来进行补充。
能量采集技术助力 环境能源发电可望实现
不过，针对人类的应用来看，似乎不久就会有可用不同形式的环境能源发电的穿戴式材料，这类材料也许仅需要一个小型主电池来作为备份电源。这种免费能源包括体温产生能量、室内照明甚至黄昏日光产生的光伏电源，以及日常身体移动产生的动能。
称呼这类制品的一个合适的词也许是「电力套装(Power Suits)」，而在此研发领域中，处于前锋地位的公司正在实施欧盟资助的项目Dephotex，这家公司已经有办法制造重量够轻、弹性够好的穿戴式光伏材料。这种材料会将光能转换成电能，而电能又可用来给使用者穿戴的各种电子设备供电，或者用来给主电池充电，甚至既供电又充电。
类似地，在功率范围的低端，对能量采集系统有着毫微功率转换需求，例如IoT装置(如Google Glass)中常见的能量采集(EH)系统，在这类系统中，必须使用能够处理非常低功率、非常小电流的电源转换IC。功率和电流可能分别为数十微瓦和数十纳安培。
最新和现成的能量采集技术，例如振动能量采集产品及室内或穿戴式光伏电池，在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这个量级的功率看似有限，但是能量采集组件在若干年内的持续工作，可能意味着，无论从所提供的能量还是从单位能量的成本上来看，能量采集产品与长寿命主电池都大致相同。
此外，采用能量采集技术的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。不过，大多数系统都会使用环境能源作为主电源，用主电池作为环境能源的补充，如果环境能源消失或中断，就可以接入主电池。
提高功率密度 能量采集解决方案再进化
当然，能量采集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长的时间。因此，能量采集电源的主要比较指针是功率密度，而不是能量密度。能量采集电源的可用功率一般很低、可变及不可预测，所以常常使用连接采集器和辅助电源的混合型结构。辅助电源可能是一块可再充电电池或者一个储存电容(甚至可能是超级电容)。
采集器由于能量供应无限及功率不足而成为系统的能量源。辅助电力储存库或是电池或电容，产生较大的输出功率，但储存较少的能量，在需要时供电，否则定期从能量采集器接收电荷。因此，在没有环境能源可供采集的时候，辅助电力储存器必须用来为下游电子系统供电。
以凌力尔特为例，该公司推出的一些电源转换IC具备了必要的功能和性能，使如此低的采集能量能够用于IoT应用。
该公司所推出的LTC3331是一款完整的EH调节解决方案，提供高达50mA的连续输出电流，以在可采集能源可用时延长电池寿命。当所采集的能量为负载提供稳定功率时，该组件不需电池提供电源电流，在无负载情况下用电池供电时，该组件仅需要950nA工作电流。同时，LTC3331整合了一个高压能量采集电源和一个同步升降压DC-DC转换器，该转换器由可再充电主电池供电，为IoT装置、穿戴式产品，以及无线传感器节点(WSN)等能量采集应用提供一个不间断的输出。
LTC3331的能量采集电源由全波桥式整流器组成，适合AC或DC输入及高效率同步降压型转换器，从压电(AC)、太阳能(DC)或磁性组件(AC)能源采集能量。10mA分路器以所采集的能量实现简便的电池充电，同时低电池电量断接功能可保护电池免于深度放电。可再充电电池为同步升降压转换器供电，该转换器在1.8V至5.5V的输入范围内工作，在采集的能量不可用时用来调节输出而无论输入高于、低于或等于输出。在因应微功率电源时，LTC3331电池充电器拥有十分重要、不容忽视的电源管理功能。
LTC3331纳入了对电池充电器的逻辑控制功能，以便仅在能量采集电源有多余能量时才给电池充电。如果没有这种逻辑控制功能，能量采集电源就会在启动时卡在某个非最佳工作点上，而不能完成启动，无法为目标应用供电。
当采集的能源不再可用时，LTC3331自动转换到电池。这带来了一个额外的好处，如果适合的能量采集电源至少在一半时间内可用，就允许电池供电的WSN将工作寿命从10年延长至超过20年，如果能量采集能源更加普遍存在，那么寿命甚至能够延长至更长时间。该组件还整合了一个超级电容平衡器，因此允许增大输出储存量。
低功率为穿戴式组件设计重点
既然穿戴式装置采集的能量非常低(在纳安至毫安量级)，那么当务之急，是任何DC-DC转换都要消耗尽可能少的功率，以确保最佳能量传输。为了实现此一严格的目标，DC-DC转换器本身必须消耗纳安量级的电流。基于此一原因，凌力尔特推出了LTC3335，该产品为毫微功率升降压 DC-DC转换器，其整合了库仑计数器，以因应WSN中的IoT产品、穿戴式装置，以及通用能量采集应用(图1)。
图1 LTC3335毫微功率升降压转换器的典型应用原理图
LTC3335为一款高效率、低静态电流(680nA)转换器，其整合的库仑计数器可监视长寿命电池供电应用的电池累计放电量。这个计数器在内部缓存器中储存电池的累计放电量数字，该缓存器可透过I2C接口存取。升降压转换器的输入可在低至1.8V时工作，提供八个接脚可选输出电压，输出电流高达50mA，适合多种类型和尺寸的电池。该产品峰值输入电流的选择范围可从低至5mA到高达250mA，满标度库仑计数器的可编程范围为32768:1。
无论何时，只要升降压转换器向负载提供电流，该组件整合的精准库仑计数器就会记录从电池传送出的累计电荷量。当未处于休眠模式时，升降压转换器会因应所有电池和输出电压情况而作为H桥工作(图2)。
图2 LTC3335以H桥模式工作时的定时图
开关A和C在每个突发周期开始时导通。电感电流斜坡上升至Ipeak，然后开关A和C断开。接着，开关B和D导通，直到电感电流斜坡下降至零为止。这个周期一直重复，直至Vout达到休眠门坎为止。如果Ipeak和开关AC(ON)时间(tAC)都是已知的，那么BAT放电库仑量(图2中的阴影区域)可以透过对AC(ON)周期计数并乘以每个AC(ON)期间的电荷量来计算，每个AC(ON)期间的电荷量由以下公式所示：
qAC(ON)=(Ipeak×tAC)/2
当升降压转换器工作时，LTC3335测量相对于满标度ON时间(tFS，约为11.74μs)的实际AC(ON)时间，满标度ON时间是由内部调节的，以补偿电源、温度和制程变化导致、实际选定的Ipeak值的误差。如此便可针对电池在每个AC(ON)周期传送出的电荷量产生非常准确的「测量值」。
显然，将会有众多的WSN、穿戴式产品，以及IoT产品需要毫微功率DC-DC转换和库仑量计算，以确保这些产品的最佳性能和寿命。
不过，直到不久前，这类转换产品才上市，而凌力尔特也为毫微功率产品设计者提供了大量可供选择的转换解决方案。
编辑：admin 最后修改时间：2017-09-05
