能量收集物联网节点的电源转换选项

环境能量收集功率的物联网（IOT）传感器节点的可能来源，但需要精心管理。除非基于太阳能或热技术收割机，例如，被设计成与传统的电路兼容，直流/直流转换器需要为低电压输入进行优化。
对于物联网传感器节点往往需要置于远离可靠的电力来源，但工作了很多年。虽然长期贮存寿命电池为这些设备供电提供了一个选项，一个日益可行的替代方案是使用环境能量收集，使用来源，如光，振动和温度的差异。与能量采集设计的关键问题是，权力的来源往往是充满变数和不可预知。为电子的功能，由收割元件提供的功率需要使用一个或多个功率转换级来调节。

在大多数情况下，峰值能量可用于收集不与系统的峰值需求，这将意味着在系统内储存的多余能量，用一个组件，如超级电容器，使得它准备在需要时可以应用一致。通常情况下，收获将允许系统积累能量在很长一段时间，在此期间，大部分系统本身将是睡着削减电力需求。当系统唤醒获取读数，并通过网络发送记录的数据，它接入到该贮存器的积累能量。

德州仪器IV曲线图片为典型的太阳能电池

图1：典型的太阳能电池IV曲线和可能的收获电流两级照射（德州仪器提供）

当系统处于睡眠状态，这部分需求的功耗要保持尽可能低的水平，以避免浪费宝贵的能源。这代表了一个严格的要求不只是用来提供处理电子设备的直流/直流转换器的静态电流，而且还取决于它供应功率的作为处理器能力和相关电路唤醒。

直流/直流转换器的设计面临着进一步的挑战。收获的能量通常以一种难以使用的形式。虽然在一个相对较高的电压，压电和静电收割机通常操作，大多数能量捕获技术产生的电压低于1 V为例，小的光伏电池可操作电压低于0.5 V能够处理这样的低电压，直流/直流转换器需要提供的不只是提供升压调节但启动，明显低于主流设计针对电池供电系统中电压的能力。

另一个考虑是，最大功率点（MPP）跟踪。典型地，细胞在光伏模块将产生非常小的功率时产生高电压。当光线水平上升时，电压将有所回落，但目前将急剧增加，直至接近其峰值水平。温度也起到了重要作用。作为模块加热，模块的输出电压将下降，这将降低其总能量输出。其结果是，即使在强烈的阳光时期时，他们应该是在最高效率，光伏可以从显著滴在转换效率遭受如果电子电路不对此进行补偿。

由于电流正比于电池大小，专为物联网设备的小型光伏面板供应不足适用于家庭或工业发电的大型机组的电流。其结果，重要的是要限制电流通过转换电路所吸收，以避免强制转换器电路以闭锁，直到系统复位。实现这一目标的最有效的方法是采用MPP跟踪。与MPP跟踪操作，逆变器电路可以使用的电压和电流的最佳组合，并提供必要的阻力提供一个负载，以允许高效的能量收集。

德州仪器TPS61200是DC / DC转换器，被设计用于与电池或太阳能能源使用。升压转换器的TPS61200具有从电压低至0.3 V在2μH至5μH范围内的外部电感器的帮助和一个4.7μF的电容，以改善瞬态行为启动的能力。该装置有三个不同的N型沟道FET内，用于保持对转换器的整个范围内具有高效率的同步功率转换。

因为它需要时间来产生足够高的电压来驱动典型微控制器和混合信号器件，这经常需要在3伏范围内的供给，该装置具有两个输出引脚：VOUT和VAUX。在VAUX引脚允许低压组分被尽快供电，它们能够以低电源电压工作条件。一旦转换器能够产生足够高的输出电压-这是在该上VAUX输出电容器被充电到2.5伏的点-VOUT变为有效。为了避免过度的电流消耗在启动时，转换器限制了它的电流在第一，使电流沿与输出电压上升。

虽然它不实现的MPP内部跟踪，所述TPS61200可用于基于一个运算放大器，电压参考和多个无源元件的一个相对简单的模拟电路。技术VAUX，运算放大器应该是一个轨到轨放大器具有低功耗，能够工作在低电源电压。

运算放大器的输出被连接到TPS61200来控制变换器的输出电压，利用太阳能电池的供给的输入电压，比较该到电压基准的反馈管脚。如果电压基准由一个电位器控制，而不是由一个电阻分压器，该电路提供给调整电路，以不同的太阳能电池的类型和不同的条件的能力。在最终应用中，电位器可以由一个固定的分压器被替换之后被发现的特定太阳能电池的最大功率点的理想值。

图2：TI TPS61200 的一个MPP电路

在稳态条件下，输入电流成比例的输出电流由转换比率由输出电压分压器设定。以降低输入电流，MPP电路通过电流注入反馈节点减少所设置的输出电压，以低得多的值。

在低负载电流，平均300毫安以下，其通常与周围小型太阳能收集器内置设计的情况之下，转换器进入一个省电模式，以保持高效率，在宽负载电流范围。在这种模式下，转换器提供能量的短脉冲。输出电容器充当能量储存器来平滑的脉冲。

德州仪器提供的bq25504，采用了MPP跟踪电路，被设计来操作太阳能收集器。虽然它需要与至少为330毫伏的输入电压开始，一旦启动该装置可以收获能量下降到80毫伏，使其适于与可处理非常小的温度差的热发电机使用-虽然显著差异需要允许该电路启动。

随着外部升压变压器的帮助和一个小耦合电容，凌力尔特LTC3108可与输入电压低至20 mV的操作。转换器的低电压能力使其能够与塞贝克效应收割机可以与温差低至1℃的操作使用。这些小的差别通常在身体佩带的传感器，其中的主要热源是人的皮肤的温度和它们的直接环境之间的差遇到。

转换器的振荡频率是由变压器次级绕组的电感确定，并且通常在10千赫至100千赫的范围内。对于输入电压低至20 mV的，约1初级次级匝数比：100推荐的线性。类似于TPS61200，以允许与两个低电压，永久有源电路和睡眠功能的微处理器使用，有多个电压输出。还有永久启用VAUX时，LTC3018已经不仅仅是一个VOUT引脚能够产生高达3.3 V的，但也有2.2 V LDO的输出设计为与低功耗微控制器使用。

为了帮助支持能量采集应用，将Cymbet和IXYS开发小型便携式太阳能电池。所述Cymbet的CBC-PV-01是在与大约30平方厘米??的收集区域的玻璃基板的低电压非晶硅太阳能电池。其典型工作电压为0.8V约为200μA，在200勒克斯荧光灯下的输出电流。

由于物联网设备变得越来越普遍，我们可以期待一个更侧重于DC / DC转换器，提供高效率升压转换以及专门的收割机提供与开关模式电源技术更好的兼容性。