能量收集器于所在环境产生电能，无线传感器无需使用电池

作者：凌力尔特公司设计工程师  Michael Whitaker

低功率技术领域的进步使得在多种应用中建立无线传感器网络变得更加容易，如远端取样、HVAC 监视、资产跟踪和工业自动化应用。问题是，甚至无线传感器也需要定期更换的电池，而这是一项昂贵和复杂的维护任务。一种较好的无线电源解决方案是从传感器所在环境收集机械、热或电磁能。

一般情况下，可收集的环境能量在数十 mW，因此能量收集需要仔细的功率管理，以成功获取数 mW 的环境能量，并将其存储在一个可使用的能量库中。一种常见的环境能源是机械振动能，这种能量由工厂中运行的发动机、风扇叶片上的气流、甚至行驶的车辆产生。压电换能器可用来将这种振动能转换成电能，电能再用来给电路供电。

为了管理能量收集和能量向系统的释放，LTC3588-1 压电能量收集电源 (图 1) 集成了一个低损耗内部桥式整流器和一个同步降压型 DC/DC 转换器。该装置运用一种高效的能量收集算法以收集和存储来自高阻抗压电元件的能量，这些压电元件可能具有大约几十μA 的短路电流。
 
图 1

能量收集系统常常必须支持比压电器件能产生的电流高得多的峰值负载电流，因此 LTC3588-1 能够积累能量，然后再以短的能量突发向负载释放能量。当然，就连续运行而言，这类突发能量必须以低占空比提供，以便在突发期间总的输出能量不超过在能量积累周期中所累积的平均电源能量。一个以固定时间间隔进行测量、并在两次测量之间发送数据并断电的传感器系统是能量收集解决方案的首选。

能量收集的关键是低静态电流
能量收集过程依赖低静态电流能量积累阶段。LTC3588-1 通过欠压闭锁 (UVLO) 模式来实现，该模式具有宽的迟滞窗口，吸取不到 1mA 的静态电流。UVLO 模式允许在一个输入电容器上积累电荷，直到内部降压型转换器能够高效率地将部分存储的电荷传送到输出为止。

图 2 显示了 UVLO 静态电流曲线，该曲线是随 VIN 单调变化的，因此一个低至 700nA 的电流源就可以将输入电容器充电至 UVLO 的上升门限，从而产生一个稳定的输出。一旦达到稳定，LTC3588-1 就进入休眠状态，在这状态下，输入和输出静态电流都是最小的。例如，在 VIN = 4.5V，输出稳定时，静态电流仅为 950nA。然后降压型转换器按照需要接通和断开，以保持稳定。在休眠模式和 UVLO 模式，低静态电流都允许在输入电容器库中积累尽可能多的能量，即使可用电源电流非常低也不例外。

 
图 2

当 VIN 达到 UVLO 上升门限时，集成的高效率同步降压型转换器接通，并开始从输入电容器向输出电容器传送能量。该降压型稳压器运用一种迟滞电压算法，通过来自 VOUT 检测引脚的内部反馈控制输出。通过一个内部 PMOS 开关使电感器电流斜坡上升至高达 250mA，然后再通过一个内部 NMOS 开关使该电流斜坡下降至零，凭借这一过程，该降压型稳压器通过一个电感器将输出电容器充电至略高于稳定点的值。这样可以高效率地向输出电容器提供能量。

如果在输出电压达到稳定之前，输入电压下降至低于 UVLO 下降门限，那么降压型转换器关闭，而且不再接通，直到输入电压上升至高于 UVLO 上升门限为止。这期间，VOUT 检测引脚上的泄漏不高于 90nA，输出电压仍然保持接近它在降压型稳压器切换时所达到的值。图 3 显示一个由 2uA 电流源充电的 LTC3588-1 典型启动波形。

 
图 3

当同步降压型稳压器使输出电压进入稳定时，该转换器进入低静态电流休眠状态，该状态用休眠比较器监视输出电压。在这种运行模式时，负载电流由降压型转换器的输出电容器提供。当输出电压下降至低于稳定点时，该降压型稳压器醒来，重复上述周期。这种提供稳定输出的迟滞方法最大限度地降低了与 FET 切换有关的损耗，并使在非常轻的负载时进行高效率调节成为可能。

该降压型转换器正在切换时，提供高达 100mA 的平均负载电流。1.8V、2.5V、3.3V 和 3.6V 这 4 个输出电压是引脚可选的，以方便为微处理器、传感器和无线发送器供电。图 4 显示在稳定和休眠时极低的静态电流，这允许在轻负载时高效率运行。尽管切换时降压型稳压器的静态电流远高于休眠静态电流，但是它在负载电流中所占百分数仍然很小，从而在多种负载条件下实现了高效率 (图 5)。

 
图 4

 
图 5

降压型转换器仅在输入电容器中积累了充足的能量时才工作，它以短突发将能量传送到输出，短突发所用时间远短于积累能量所需的时间。当降压型转换器工作时的静态电流在整个积累/突发周期中平均时，平均静态电流非常低，从而非常容易提供收集少量环境能