能量收集和物联网发展的转折点即将到来

背景

便携式电源应用领域宽泛而多样。产品涵盖了从平均功耗仅几 μW 的无线传感器节点 (WSN) 到采用好几百瓦时电池组的车载医疗或数据采集系统等众多门类。然而，尽管品种繁多，但它们却呈现出一些相对一致的发展趋势;即：设计人员不断地要求其产品拥有较高的功率以支持更多的功能，并指望能从任何可用的电源来给电池充电。第一个趋势将意味着增加电池容量。不幸的是，用户常常缺乏耐心，而且增加的电池容量必须要在合理的时间之内完成充电，这就必然导致充电电流的增大。第二个趋势则要求电池充电解决方案具有巨大的灵活性，因为它们需要处理各种各样的输入电源和功率。此外，支持“物联网”(IoT) 的无线传感器用量的激增也使人们对于可适应无线低功率设备之小型、紧凑和高效电源转换器的需求量有所增长。

隶属于 IoT 领域、同时从能量收集的角度来看也是特别有趣的新兴市场区段之一是可穿戴式电子产品。尽管尚处在其起步阶段，但该区段中已经包括了诸如三星智能腕表 (Samsung Galaxy Gear) 和谷歌眼镜 (Google Glass) 等产品。然而，一种业已获得很高期望的特殊外形则来自于腕表。我现在说的不是取材于经典美国喜剧的 Dick Tracy 1940 年代双向手表收音机 (其外形酷似腕表);我所指的是今天的版本，其拥有通过一部智能手机提供的话音和数据通信、互联网浏览和流式视频功能。目前市场上已经有了许多的产品实例，在亚马逊 (Amazon) 公司的网站上快速搜索一下，立刻就会跳出半打以上的此类商品，其中最突出的一款是高通公司 (Qualcomm) 的 Toq 智能手表。不过，它与许多其他商品的光芒看似都被万众期待且传闻已久的苹果 iWatch 所掩盖。

当然，可穿戴式技术并非仅用于人类，同样也有很多面向动物的应用。近期的例子包括针对马匹的超声波治疗贴片和电子鞍座优化，还有安放在其他动物身上负责各自执行跟踪、识别、诊断等等功能的颈圈。无论是哪种应用，大多数此类设备都需要采用一个电池作为主电源。然而，就面向人类的应用而言，似乎不久就会出现可利用太阳能产生电力的可穿戴式纤维织物。您可以把它们想象为“电源”套装!身处此项研究最前沿的一家公司是欧盟赞助的 Dephotex 计划，其开发出了可使光伏材料的重量和柔性足以符合穿戴要求的方法。很自然，这种材料将把光子转换为电能，而电能随后被用于给用户所穿戴的各种电子设备供电，或者为其主电池充电，甚至可兼用于这两种用途。

电源转换挑战

低功率应用是诸如 WSN 中常见的能量收集系统等之毫微功率转换要求，其必需采用负责处置非常低功率和电流的电源转换 IC。这可以分别是几十μW 的功率和 nA 级的电流。

最先进和现成有售的能量收集 (EH) 技术 (例如：振动能量收集和室内或可穿戴式光伏单元) 在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这么低的功率似乎用起来很受限，但是若干年来收集组件的工作可以说明，无论就能量供应还是就所提供的每能量单位的成本而言，这些技术大体上与长寿命的主电池类似。而且，采用 EH 的系统通常将能够在电池耗尽之后实施再充电，而这一点却是由主电池供电的系统做不到的。尽管如此，大多数实施方案将使用某种环境能量源作为主电源，但将利用一个主电池为之提供补充，当环境能量源消失或中断时可接通主电池以提供电能。

当然，由能量收集源所提供的能量取决于它处于操作状态的时间。因此，比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。能量收集一般会遇到低的、可变的和不可预测的可用功率，因而通常采用了一种与能量收集器和一个辅助电源相连的混合结构。辅助电源可以是一个可再充电电池或一个存储电容器 (甚至有可能是超级电容器)。收集器由于其可有无限的能量供应和功率不足而成为系统能源。辅助电能储存器 (一个电池或一个电容器) 可产生较高的输出功率，但储存的能量较少，它在需要的时候供电，其他情况下则定期从收集器接收电荷。所以，在没有可供收集功率的环境能量时，必须采用辅助电能储存器来给下游电子系统或 WSN 供电。当然，从系统设计人员的角度而言这将导致复杂程度的进一步增加，因为他们现在必须考虑这样一个问题：“为了对缺乏环境能量源的情况提供补偿，应在辅助储存器中存储多少能量呢?”

能量收集解决方案

幸运的是，对于此类系统的设计人员而言，目前已经有了很多具备必要的特性和性能特征的电源转换 IC，其可实现这种在可穿戴式技术应用中使用的低收集功率。凌力尔特近期专为满足该要求而推出了其 LTC3331，如图 1 所示。

图 1：LTC3331 能量收集器和电池寿命延长器

LTC3331 是一款完整的调节 EH 解决方案，当有可收集能量可供使用时，其将提供高达 50mA 的连续输出电流以延长电池寿命。当采用收集能量来给负载提供稳定的功率时无需从电池吸收电源电流，而采用电池供电时，在无负载条件下的工作电流仅为 950nA。LTC3331 集成了一个高电压 EH 电源和一个由可再充电主电池供电的同步降压-升压型 DC/DC 转换器，以为 WSN 中的能量收集应用电路等产生单个不间断的输出。

LTC3331 的 EH 电源由一个可适应 AC 或 DC 输入的全波桥式整流器和一个高效率同步降压型转换器构成，其负责从压电源 (AC)、太阳能 (DC) 或磁 (AC) 源收集能量。一个 10mA 分流器允许利用收集能量进行电池的简单充电，而一种低电池电量断接功能则用于避免电池发生深度放电。可再充电电池负责为一个可在其输入端电压为 1.8V 至 5.5V 时正常运作的同步降压-升压型转换器供电，并在没有收集能量可用的情况下使用以调节输出 (无论输入是高于、低于还是等于输出)。LTC3331 具备一种在处理微功率电源时不能忽视的重要电源管理功能。LTC3331 拥有电池充电器的逻辑控制功能，因而当能量收集电源具备多余的电能时，它将只给电池充电。如果没有这种逻辑功能，能量收集电源在某个非最佳操作点上将被阻塞于启动，并且无法通过其启动操作来为预期的应用电路供电。LTC3331 可在收集电源不再可用时自动地切换至电池供电。这带来了额外的好处：如果能在至少一半的时间里提供一个合适的 EH 电源，那么电池供电式 WSN 的工作寿命就可从 10 年延长至 20 年以上，而如果 EH 电源的使用时间比例更高则电池的使用寿命还可以更长。另外，该器件还集成了一个超级电容器平衡器以增加输出存储。

LTC3129 是一款同步降压-升压型转换器，其提供高达 200mA 的连续输出电流，可使用多种输入电源，包括单节或多节电池以及太阳能电池板和超级电容器输入。该器件具有 2.42V 至 15V 的输入范围和 1.4V 至 15.75V 的输出范围，可在输入高于、低于或等于输出时提供一个稳定的输出。LTC3129 采用的低噪声降压-升压型拓扑在所有工作模式之间提供不间断转换，从而使该器件非常适合必须保持恒定输出电压的 EH 应用，即使在输入电源电压降至低于输出电压的情况下也不例外 - 见图 2。

图 2：LTC3129 15V/200mA 降压-升压型转换器

LTC3129 包括可编程最大功率点控制 (MPPC) 功能，可确保从光伏电池等非理想电源抽取最大功率。仅为 1.3μA 的静态电流使 LTC3129 非常适用于始终保持接通和能量收集应用，在这类应用中，延长电池运行时间是最重要的。LTC3129 的 1.2MHz 恒定开关频率可确保低噪声和高效率，同时最大限度地减小了外部组件的尺寸。

结论

尽管采用能量收集系统的可穿戴式应用将具有用于实现其正确运作的众多功率级 (从μW 至 1W 以上)，但可供系统设计人员选择的电源转换 IC 有很多。不过，它处于功率范围的低端，所需转换的电流为 nA 级。正是这一点造成了选择的受限。

幸运的是，LTC3331 能量收集器和电池寿命延长器与 LTC3129 低功率同步降压-升压型转换器一起提供了极低的静态电流，从而使得它们非常适合于诸多的低功率应用。低于 1.3μA 的静态电流可延长用于便携式和可穿戴式电子产品中电路经常保持接通之电池寿命，同时实现了新一代的 EH 应用。这确实是个好消息，因为我们正在迈向能量收集和物联网发展的转折点。