低功率是物联网的关键

本文作者：

Tony Armstrong

凌力尔特公司  电源产品部  产品市场总监

引言

支持物联网 (IoT) 的无线传感器在激增，这增大了对面向较低功率无线设备而定制的、小型、紧凑和高效率电源转换器的需求。最近 IoT 市场中新出现的细分市场之一是可穿戴电子产品市场，从能量收集的角度来看，这个细分市场尤其令人感兴趣。当然，可穿戴技术不仅面向人类，还有很多应用是面向动物的。最近出现的例子包括超声斑块治疗和电子马鞍优化以及针对其他动物的颈圈，这类颈圈以各种方式完成跟踪、识别和诊断等任务。不过，不管用于什么样的最终应用，这类产品大多数都需要一块电池作为主电源，即使电池会用环境能源 (如果有环境能源可用) 加以补充。

不过，对面向人类的应用而言，似乎不久就会有可用不同形式的环境能源发电的可穿戴面料，这类面料也许仅需要一个小型主电池作为备份电源。这种免费能源包括体温产生能量、室内照明甚至黄昏日光产生的光伏电源、以及日常身体移动产生的动能。称呼这类面料制品的一个合适的词也许是"电力套装"！在这一研发领域处于前沿的一家公司正在实施欧盟资助的项目 Dephotex，这家公司已经有办法制造 (重量) 足够轻、弹性足够好的可穿戴光伏材料。这种材料会将光能转换成电能，而电能又可用来给用户穿戴的各种电子设备供电，或者用来给主电池充电，甚至既供电又充电。

类似地，在功率范围的低端，对能量收集系统有毫微功率转换需求，例如 IoT 设备 (想想谷歌眼镜) 中常见的能量收集系统，在这类系统中，必须使用能够处理非常低功率、非常小电流的电源转换 IC。功率和电流可能分别为数十微瓦和数十纳安。

最新和现成有售的能量收集 (EH) 技术，例如振动能量收集产品以及室内或可穿戴光伏电池，在典型工作条件下产生毫瓦量级的功率。尽管这个量级的功率看似有限，但是能量收集组件在若干年内持续工作可能意味着，无论从所提供的能量还是从单位能量的成本上来看，能量收集产品与长寿命主电池都大致相若。此外，采用 能量收集 技术的系统一般能够在电量耗尽后再充电，而仅由主电池供电的系统却做不到这一点。不过，大多数系统都会用环境能源作为主电源，用主电池作为环境能源的补充，如果环境能源消失或中断，就可以接入主电池。

解决方案

当然，能量收集电源所提供的能量取决于该电源能工作多长时间。因此，能量收集电源的主要比较指标是功率密度，而不是能量密度。能量收集电源的可用功率一般很低、可变及不可预测，所以常常使用连接收集器和辅助电源的混合型结构。辅助电源可能是一块可再充电电池或者一个存储电容器 (甚至可能是超级电容器)。收集器由于能量供应无限及功率不足而成为系统的能量源。辅助电力储存库或者是电池或者是电容器，产生较大的输出功率，但存储较少的能量，在需要时供电，否则定期从能量收集器接收电荷。因此，在没有环境能源可供收集的时候，辅助电力储存器必须用来给下游电子系统供电。

凌力尔特公司推出的一些电源转换 IC 具备必要的功能和性能，使如此之低的收集能量能够用于 IoT 应用。

LTC3331 是一款完整的 EH 调节解决方案，提供高达 50mA 的连续输出电流，以在可收集能源可用时延长电池寿命。用收集的能量向负载提供稳定功率时，该器件不需要电池提供电源电流，在无负载情况下用电池供电时，该器件仅需要 950nA 工作电流。LTC3331 集成了一个高压能量收集电源和一个同步降压-升压型 DC/DC 转换器，该转换器由可再充电主电池供电，为 IoT 设备、可穿戴产品以及无线传感器节点 (WSN) 等能量收集应用提供一个不间断输出。

图 1：LTC3331 能转换多种能源，并可使用一个可再充电主电池

LTC3331 的能量收集电源由全波桥式整流器组成，适合 AC 或 DC 输入以及高效率同步降压型转换器，从压电 (AC)、太阳能 (DC) 或磁性组件 (AC) 能源收集能量。10mA 分路器用收集的能量实现简便的电池充电，同时低电池电量断接功能保护电池免于深度放电。可再充电电池给同步降压-升压型转换器供电，该转换器在 1.8V 至 5.5V 的输入范围内工作，在收集的能量不可用时用来调节输出而无论输入高于、低于或等于输出。在应对微功率电源时，LTC3331 电池充电器拥有非常重要、不容忽视的电源管理功能。LTC3331 纳入了对电池充电器的逻辑控制功能，以便仅在能量收集电源有多余能量时才给电池充电。如果没有这种逻辑控制功能，能量收集电源就会在启动时卡在某个非最佳工作点上，不能完成启