用于能量收集的低功率转换

热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动能、光伏元件用于转换太阳光能（或任何光子源）、而流电元件则可从湿气转换出能量。 这就有可能给远程传感器供电，或者对电能存储器件（例如：电容器或薄膜电池）进行充电，这样微处理器或发射器无需本地电源即可从远处获得电能。
不过，由于这些能量处在功率谱的“低”端，因此无线传感器网络 (WSN) 和传感器中的毫微功率转换变得越来越普遍，需要功率转换 IC 能够工作非常低的功率和电流水平下。 通常分别是几十微瓦 (μW) 功率和几十纳安 (nA) 电流。 但是，工作电流低于 1μA 的电源转换产品（包括电池充电器）的供应却是极其有限。
一般地说，要想被上述这些应用所接纳和采用，电源转换 IC 必需具备的性能特征包括：

• 低待机静态电流 – 通常小于 6μA，并可低至 450nA
• 低启动电压 – 可低至 20 mV
• 高输入电压能力 – 高达 34 V（连续）和 40 V（瞬态）
• 能够处理 AC 输入
• 多路输出能力和自主型系统电源管理
• 针对太阳能输入的最大功率点控制最大功率 (MPPC) 功能
• 解决方案小巧紧凑、外部组件极少
  

WSN 基本上属于自足式系统，系统内的传感器会将环境能量源转换成电信号，随后通常由 DC/DC 转换器和管理器向下行电子元件供给合适的电压和电流。 下行电子元件包括一个微控制器、一个传感器和一个收发器。
尝试实现 WSN 时，要考虑的重要问题是：运作它需要多少功率? 从概念上讲，此问题的答案貌似直观明了；但实际上，由于存在多种因素，回答此问题颇有几分难度。 例如，需要多久获取一次读数? 或者，再考虑两个更重要的问题：数据包会有多大?传送数据包需要多少功率? 这是由于在系统用于单次传感器读数和数据包传送上所耗的能量中，收发器的能耗约占 50%。 有若干因素会影响能量收集系统或 WSN 的功耗特性，这些都需要考虑进来。
可以明确的是，WSN 可用时，必须使用极低的能量。 反过来，这也意味着系统中所用的元器件必须要能够处理这些低级别的功率。 虽然一直以来，使用收发器和微控制器已能够达到此要求，但在等式的功率转换和电池充电一侧却仍然为空。 不过，Linear Technology 专门开发的 LTC3388-1/-3 和 LTC4071 填补了这些空白。

LTC3388-1/-3 是一款能接受 20V 输入的同步降压转换器，可提供高达 50mA 的连续输出电流，采用 3mm x 3mm（或 MSOP10-E）封装 – 见图 1。 该器件在 2.7V 至 20V 的输入电压范围内工作，因而非常适用于多种能量收集和电池供电型应用，包括“持续运作”电路、传感器和工业控制电源。

图 1：LTC3388-1/-3 典型应用示意图

LTC3388-1/-3 运用迟滞同步整流方法优化了宽负载电流范围的效率。 它在 15μA 至 50mA 负载范围内可提供超过 90% 的效率，且仅需 400nA 的静态电流，从而使其能够在采用电池作为辅助电源的场合长电池寿命。

LTC3388-1/-3 具有准确的欠压闭锁 (UVLO) 保护功能，可在输入电压降至低于 2.3V 时停用转换器，从而将静态电流减小至仅为 400nA。 一旦处于稳压状态（无负载时），LTC3388-1/-3 将进入休眠模式，以最大限度地降低静态电流至仅为 720nA。 然后，该降压转换器按需接通和断开，以保持输出调节状态。 当输出处于针对短期负载（如要求低纹波的无线调制解调器负载）的调节状态时，还提供附加待机模式来禁止切换。 这种高效率、低静态电流设计非常适合能量收集应用。此类应用需要长充电周期，同时以短猝发负载为传感器和无线调制解调器供电。

电池常常用作 WSN 中的辅助备用电源；然而，所面临的设计难题在于怎样利用低功耗电源对其进行充电，这并不是个简单的问题。 Linear 的 LTC4071 是一款并联电池充电器系统，具有集成型电池组保护和低电池电量断开功能，可保护低容量电池不会因自放电而受损。 它是一款即简单又复杂的的充电器和保护器，适用于锂离子/锂聚合物电池。 其超低的 550nA 工作电流使之能够采用以前不能用的极低电流、间歇或连续充电来源（如能量收集应用提供的来源）来充电。 电池内热调节器可降低浮充电压，以在电池温度升高时保护锂离子/锂聚合物电池、钮扣电池或薄膜电池。 LTC4071 采用扁平 8 引脚 2mm x 3mm DFN 封装，提供的是一款完整和超紧凑的充电器解决方案，只需单个外部电阻器与输入电压串联。

尽管便携式应用和能量收集系统正常工作时功率级别差异很大（从数微瓦至 1W 以上），但仍有很多功率转换 IC 可供系统设计师选择。 不过，处于功率范围的较低端，功率低至毫微功耗级别时，选择就变得有限了。

幸运的是，目前已经有了可供设计师选择的功率转换和电池充电解决方案，其低于 1μA 的静态电流可延长低功率传感器以及新一代 WSN 中持续运作电路的电池寿命