低功率设计——多低才算足够低?

作者：凌力尔特公司产品市场总监 Tony Armstrong

背景信息

便携式电源应用多种多样，应用领域十分广泛。产品从平均功耗在微瓦量级的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦-时电池组的推车式医疗或数据采集系统应有尽有。不过，尽管应用多种多样，仍然能够总结出几种趋势：设计师继续要求产品提供更大的功率，以支持越来越多的功能；用任何可用电源给电池充电。第一种趋势要求增大电池容量。不幸的是，用户常常不够耐心，不能容忍充电时间太长，所以容量增大的同时，充电时间必须仍然保持合理，这就导致充电电流增大。第二种趋势要求电池充电解决方案具有极大的灵活性。本文将详尽地探讨这些问题。

看一下新式手持式设备，面向消费者的设备和工业设备都有可能包含蜂窝手机调制解调器、Wi-Fi模块、蓝牙模块、大型背光照明显示器等等。很多手持式设备的电源架构与蜂窝手机类似。一般情况下，3.7V锂离子电池用作主电源，因为这类电池的单位重量(Wh/kg) 和单位体积 (Wh/m3) 能量密度很大。过去，很多高功率设备采用7.4V锂离子电池以降低电流要求，但是随着低价5V电源管理IC的上市，越来越多的手持式设备采用了更低电压架构。平板电脑很好地说明了这一点。一个典型的平板电脑具有很多功能，同时采用非常大 (就便携式设备而言) 的显示屏。用3.7V电池供电时，容量必须达到数千毫安-时，例如2200mAh。为了在数小时内完成这种电池的充电，需要数千毫安充电电流。

然而，充电电流这么大的同时，如果大电流交流适配器不可用，消费者还可能要求用USB端口给大功率设备充电。为了满足这些要求，在交流适配器可用时，电池充电器必须能够以大电流 (>2A) 充电，但是仍然能够高效地利用USB提供的2.5W至4.5W功率。此外，产品需要保护敏感的下游低压组件，使其避免过压事件导致的损坏，并将大电流从USB输入、交流适配器或电池无缝地引导到负载，同时最大限度地降低功耗。这就为电池IC制造商带来了极好的机会，他们可以开发安全管理电池充电算法、监视关键系统参数的IC。

在电源应用领域的另一端，是能量收集系统的毫微功率转换要求，例如WSN中常见的能量收集系统，这类系统必须使用电源转换IC，以处理非常低的功率和电流，可能分别为数十微瓦和数十纳安。

能量收集WSN

我们周围有大量环境能源，传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们用种类繁多的环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而较重要的是用来供电之“平均收集得到的”能量。例如，热电发生器将热量转换成电力，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 (或任何光源)，通过化学作用产生电流的组件将潮气转换成电能。这样就有可能给远程传感器供电，或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电，以便微处理器或发送器能够无需本地电源而接受远程供电。

一般而言，能进入并用于非传统能源市场的IC所必需的性能和特性包括以下各项：

●低备用静态电流，典型值低于6μA，可低至450nA
●低启动电压，低至20mV
●接受高输入电压的能力，高达34V连续电压和40V瞬态电压
●能够处理AC输入
●多输出能力和自主系统电源管理
●自动极性运行
●针对太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)
●能够从低至1℃的温度变化中收集能量
●需要最少的外部组件，解决方案占板面积紧凑

WSN基本上是一种自含式系统，由一些换能器组成，将环境能源转换成电信号，其后跟着的通常是DC/DC转换器和管理器，以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。

在实现WSN时，需要考虑的一个问题是：运行这个WSN需要多少功率？从概念上看，这似乎是一个相当简单的问题，然而实际上，由于受到若干因素的影响，这是一个有点难以回答的问题。例如，需要间隔多长时间获取一次读数？或者，更重要的是，数据包多大？需要传送多远? 这是因为，获取一次传感器读数，系统所用能量约有 50% 是收发器消耗掉的。有若干种因素影响 WSN 能量收集系统的功耗特性。

当然，能量收集电源提供的能量多少取决于电源工作多久。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。能量收集系统的可用功率一般很低，随时变化且不可预测，因此常常采用连接到收集器和辅助电力储存器的混合架构。收集器 (由于能量供给不受限制和功率不足) 是系统的能源。辅助电力储存器 (电池或电容器) 产生更大的输出功率但储存较少的能量，在需要时供电，除此之外定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有可从其收集能量的环境能源时，必须用辅助电力储存器给 WSN 供电。当然，从系统设计师的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在必须考虑，必须在辅助电力储存器中储存多少能量，才能补偿环境能源的不足。究竟需要储存多少能量，取决于几个因素，包括：

(1) 环境能源不存在的时间。

(2) WSN 占空比 (即读取数据和发送数据的频度)。

(3) 辅助电力储存器 (电容器、超级电容器或电池) 的尺寸和类型。

(4) 环境能源是否足够? 即既能充当主能源，又有足够的富余能量给辅助电力储存器充电，以当环境能源在某些规定时间内不可用时，给系统供电。

环境能源包括光、热差、振动波束、发送的RF信号或者其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。以下表1说明了不同能源能够产生的能量大小。

表1：能源及其产生的能量大小