能量采集係統設置

 

顯(xian)然(ran)
，能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)就(jiu)是(shi)采(cai)集(ji)器(qi)了(le)
，而(er)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)是(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)。采(cai)集(ji)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)需(xu)轉(zhuan)換(huan)為(wei)有(you)用(yong)的(de)電(dian)壓(ya)或(huo)電(dian)流(liu)
，才(cai)能(neng)為(wei)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)，或(huo)者(zhe)為(wei)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)池(chi)等(deng)中(zhong)間(jian)儲(chu)能(neng)設(she)備(bei)充(chong)電(dian)。係(xi)統(tong)上(shang)電(dian)後(hou)
，需(xu)針(zhen)對(dui)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)產(chan)生(sheng)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)壓(ya)。圖(tu)1顯示了能滿足各種不同任務需要的電源管理單元。使輸入阻抗匹配，以便最大程度采集能量、為中間儲能設備充電
、從傳統一次電池轉移電能、為(wei)係(xi)統(tong)生(sheng)成(cheng)正(zheng)確(que)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)以(yi)及(ji)監(jian)控(kong)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)和(he)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)形(xing)成(cheng)一(yi)個(ge)可(ke)靠(kao)的(de)係(xi)統(tong)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)任(ren)務(wu)都(dou)必(bi)須(xu)在(zai)極(ji)低(di)的(de)電(dian)源(yuan)功(gong)率(lv)條(tiao)件(jian)下(xia)實(shi)現(xian)
，以(yi)便(bian)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)采(cai)用(yong)小(xiao)型(xing)采(cai)集(ji)器(qi)或(huo)傳感器。這些功能高度集成在DC-DC轉換器中

，有助於降低這類任務所需的電能。

 

圖1中的係統顯示了一個用於無線環境傳感器的典型能量采集係統。這些傳感器通常用來檢測溫度
、濕度或各種氣體，比如二氧化碳。能量采集還有很多其它應用。無線占位傳感器或工業監控（比如資產追蹤和機器監控）中的安全與安保方麵屬於工業應用。

 

能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)還(hai)用(yong)於(yu)消(xiao)費(fei)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)中(zhong)
，比(bi)如(ru)便(bian)攜(xie)式(shi)設(she)備(bei)和(he)可(ke)穿(chuan)戴(dai)設(she)備(bei)。在(zai)家(jia)庭(ting)醫(yi)療(liao)保(bao)健(jian)應(ying)用(yong)中(zhong)
，無(wu)線(xian)病(bing)人(ren)監(jian)護(hu)需(xu)要(yao)在(zai)無(wu)電(dian)池(chi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)使(shi)用(yong)，或(huo)者(zhe)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。

 

能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)是(shi)目(mu)前(qian)非(fei)常(chang)流(liu)行(xing)的(de)一(yi)個(ge)話(hua)題(ti)。很(hen)多(duo)工(gong)程(cheng)師(shi)都(dou)必(bi)須(xu)評(ping)估(gu)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)否(fou)能(neng)代(dai)替(ti)或(huo)補(bu)充(chong)現(xian)有(you)的(de)能(neng)源(yuan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)類(lei)係(xi)統(tong)目(mu)前(qian)如(ru)此(ci)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)原(yuan)因(yin)是(shi)我(wo)們(men)最(zui)終(zhong)達(da)到(dao)了(le)一(yi)個(ge)均(jun)衡(heng)點(dian)，即(ji)從(cong)相(xiang)對(dui)成(cheng)本(ben)較(jiao)低(di)且(qie)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)的(de)采(cai)集(ji)器(qi)獲(huo)得(de)的(de)能(neng)量(liang)足(zu)以(yi)為(wei)極(ji)低(di)功(gong)耗(hao)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)和(he)RF電路供電。過去數年內

，電子產品的更新換代和能耗都有了進步，因此5到10年前不可行的很多應用現在都得以實現
，且經濟實惠。

 

圖1. 能量采集係統設置

 

不同的能量來源

 

能量有各種來源，最常見的是光伏(PV)、熱電(TEG)、電磁
、壓電和RF。光伏和熱電采集器產生直流電壓，而電磁
、壓電和RF采集器產生交變電壓或交流電壓。這便使得電源轉換技術的要求稍有不同。

 

圖2顯示了不同的采集類型，以及一個尺寸為10平(ping)方(fang)厘(li)米(mi)的(de)采(cai)集(ji)器(qi)大(da)致(zhi)可(ke)以(yi)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)源(yuan)量(liang)。該(gai)圖(tu)左(zuo)側(ce)顯(xian)示(shi)產(chan)生(sheng)的(de)能(neng)源(yuan)，右(you)側(ce)顯(xian)示(shi)針(zhen)對(dui)不(bu)同(tong)任(ren)務(wu)的(de)功(gong)耗(hao)。注(zhu)意(yi)，中(zhong)間(jian)的(de)功(gong)率(lv)尺(chi)度(du)取(qu)對(dui)數(shu)。這(zhe)張(zhang)圖(tu)很(hen)重(zhong)要(yao)，可(ke)以(yi)從(cong)中(zhong)獲(huo)得(de)切(qie)實(shi)可(ke)行(xing)的(de)設(she)計(ji)思(si)路(lu)。很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)的(de)工(gong)作(zuo)和(he)精(jing)力(li)花(hua)費(fei)在(zai)評(ping)估(gu)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)上(shang)

，最(zui)後(hou)卻(que)發(fa)現(xian)所(suo)采(cai)集(ji)的(de)能(neng)量(liang)不(bu)足(zu)以(yi)為(wei)特(te)定(ding)係(xi)統(tong)供(gong)電(dian)。

 

圖2. 不同的能量來源和不同應用所需的能量要求

 

DC-DC轉換器單元的重要性

 

電dian源yuan轉zhuan換huan和he管guan理li通tong常chang是shi現xian代dai能neng量liang采cai集ji係xi統tong的de核he心xin組zu件jian。雖sui然ran某mou些xie應ying用yong並bing不bu采cai用yong複fu雜za的de功gong率lv器qi件jian，但dan更geng多duo應ying用yong的de功gong率lv器qi件jian較jiao為wei複fu雜za。不bu含han智zhi能neng電dian源yuan管guan理li的de係xi統tong示shi例li有you鏈lian式shi太tai陽yang能neng電dian池chi堆dui棧zhan，可ke生sheng成cheng相xiang對dui較jiao高gao的de直zhi流liu電dian壓ya，直zhi接jie為wei係xi統tong供gong電dian或huo在zai兩liang者zhe之zhi間jian放fang置zhi一yi個ge簡jian單dan的de線xian性xing穩wen壓ya器qi後hou供gong電dian。這zhe類lei係xi統tong通tong常chang達da不bu到dao最zui佳jia的de能neng效xiao，或huo者zhe電dian源yuan電dian壓ya不bu能neng良liang好hao調tiao節jie。雖sui然ran某mou些xie負fu載zai可ke以yi在zai變bian化hua較jiao大da的de電dian源yuan電dian壓ya下xia工gong作zuo，但dan另ling一yi些xie不bu行xing。此ci外wai
，更geng高gao級ji的de係xi統tong傾qing向xiang於yu要yao求qiu使shi用yong某mou類lei電dian壓ya轉zhuan換huan器qi和he管guan理li模mo塊kuai。

 

圖3. 適合能量采集應用的電源管理器件功能框圖

 

圖3顯示了適合能量采集應用的現代電源管理器件的功能框圖。它包含啟動電路

，該電路帶電荷泵，使輸入端上的啟動電壓為380 mV。係統運行後,ADP5090的內部電路由ADP5090的輸出電壓供電。它也是為能量采集係統負載供電的節點。當節點高於1.9 V時，輸入電壓可下降至80 mV
，danyirankecaijinengliang。zheduiyunaxiezaifeizuiyouqingkuangxiahualehenduoshijiandexitongeryanfeichangyouyong
，birucaiyongtaiyangnengdianchigongdiandeshineichuanganqi。taiyangnengdianchizaizaoshanghewanshangshoudaodeguangzhaokenenghenshao
，jinerchanshengdediannengyefeichangshao。zaizhexieshijianneicaijiyidingnengliangyouliyugeidingshijianduanneidezonggonglvyusuan。ADP5090具有低靜態電流特性，因而從另一方麵改善了這類情況。需注意的是，其功耗僅為260 nA。圖4顯(xian)示(shi)了(le)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)的(de)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)。該(gai)曲(qu)線(xian)顯(xian)示(shi)了(le)住(zhu)宅(zhai)樓(lou)內(nei)的(de)不(bu)同(tong)位(wei)置(zhi)，以(yi)及(ji)采(cai)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)處(chu)於(yu)黑(hei)暗(an)中(zhong)的(de)典(dian)型(xing)時(shi)間(jian)。當(dang)然(ran)，這(zhe)隻(zhi)是(shi)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)案(an)例(li)。傳(chuan)感(gan)器(qi)接(jie)收(shou)的(de)光(guang)量(liang)取(qu)決(jue)於(yu)房(fang)子(zi)的(de)結(jie)構(gou)，包(bao)括(kuo)窗(chuang)戶(hu)數(shu)量(liang)、zaiyongdediandengshuliangyijichuanganqidequeqieweizhi。ciwai，yinianzhongdejijiehefangzideweizhiyehuiyingxiangzheleituxing。zhongdianzaiyu，zaizhezhongbianhuajiaodadezhaomingtiaojianxia


，ADP5090的低功耗特性對總功率預算極為有幫助，尤其是那些大部分時間都處於黑暗中的場所。

 

圖4. 不同住宅樓位置的傳感器處於黑暗中的典型時間

 

ADP5090中的DC-DC轉換器級很有意思。正如大部分DC-DC轉換器，它具有調節環路。然而，它既不會調節輸出電壓
，也不會調節輸出電流。調節環路主要以調節輸入阻抗的方式設置。

 

太陽能電池的電流和電壓表現如圖5所(suo)示(shi)。在(zai)開(kai)環(huan)條(tiao)件(jian)下(xia)，沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)時(shi)，所(suo)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi)。然(ran)後(hou)，隨(sui)著(zhe)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)，電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)。在(zai)極(ji)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)下(xia)，電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)得(de)非(fei)常(chang)快(kuai)。在(zai)曲(qu)線(xian)的(de)中(zhong)部(bu)形(xing)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)膝(xi)蓋(gai)形(xing)狀(zhuang)，它(ta)就(jiu)是(shi)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)點(dian)。在(zai)該(gai)點(dian)處(chu)，電(dian)壓(ya)依(yi)然(ran)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)，但(dan)吸(xi)取(qu)了(le)較(jiao)多(duo)電(dian)流(liu)。為(wei)了(le)在(zai)最(zui)大(da)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)點(dian)處(chu)工(gong)作(zuo)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)跟(gen)蹤(zong)這(zhe)一(yi)點(dian)。僅(jin)設(she)置(zhi)一(yi)個(ge)我(wo)們(men)所(suo)描(miao)繪(hui)的(de)固(gu)定(ding)電(dian)流(liu)值(zhi)是(shi)無(wu)法(fa)工(gong)作(zuo)的(de)，因(yin)為(wei)圖(tu)5中特定太陽能電池的曲線將根據不同的光照條件而發生偏移。如需跟蹤MPP（最大峰值功率點），則ADP5090停止在輸入端傳導電流並在不加載 太陽能電池電壓的情況下檢查該電壓，然後設置下一個16秒的MPP。經過此時間周期之後
，再次執行開環檢查。16秒是個良好的折衷點
，既遠離MPP漂移，又不會過於頻繁地中斷采集操作。

 

圖5. 典型光伏電池的電壓和電流曲線

 

MPP跟gen蹤zong確que保bao大da部bu分fen能neng量liang從cong光guang伏fu電dian池chi或huo熱re電dian發fa生sheng器qi等deng電dian源yuan采cai集ji
，但dan電dian源yuan管guan理li單dan元yuan還hai有you其qi它ta任ren務wu。例li如ru，它ta需xu要yao在zai某mou個ge電dian壓ya窗chuang口kou內nei控kong製zhi輸shu出chu電dian壓ya。ADP5090yongzuodianliuyuan
，weichaojidianronghuodianchichongdian。ciyuanjianduiyuxiaohaonengliangdenengliangcaijieryanhenzhongyao。zheyangkeyishixianhenduomeiyouhengdingkeyongnenglianggongcaijibingyizhidingjiangezhixingmouxiexitongrenwudexitong。liru
，wuxianchuanganqiwangluozhongdemougechuanganqixuyaomeige5分鍾發送一次溫度值。如果該傳感器由太陽能電池供電，由於中間儲能單元
，係統依然可以在沒有光照的情況下工作。

 

目(mu)前(qian)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)受(shou)歡(huan)迎(ying)的(de)架(jia)構(gou)是(shi)將(jiang)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)設(she)備(bei)加(jia)入(ru)一(yi)次(ci)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)。使(shi)用(yong)不(bu)可(ke)充(chong)電(dian)電(dian)池(chi)的(de)產(chan)品(pin)可(ke)以(yi)成(cheng)功(gong)地(di)通(tong)過(guo)加(jia)入(ru)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)功(gong)能(neng)來(lai)延(yan)長(chang)係(xi)統(tong)壽(shou)命(ming)。這(zhe)樣(yang)可(ke)以(yi)延(yan)長(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)，而(er)不(bu)會(hui)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。針(zhen)對(dui)這(zhe)類(lei)混(hun)合(he)係(xi)統(tong)
，ADP5090提供控製一次電池的能力。當沒有足夠的采集能量時
，一次電池的電源路徑便轉而直接為負載供電。

 

圖6. 適合能量采集應用的電源管理級示例

 

圖6顯示了一個完整的能量采集功率級，不僅包含主ADP5090 MPPT能量采集IC，還帶有一個備用IC
，即ADP5310。它是一款DC-DC轉換器
，可以非常高效地產生兩路輸出電壓。在100 μA輸出電流時，其效率接近90%。此外，ADP5310還集成了一個負載開關。此負載開關可用來關閉那些持續消耗能量的負載，哪怕這些負載並未使用。

 

ADP5310降壓轉換器支持的輸入電壓最高達15 V。因此，這款器件可以直接用於交流電壓生成器
，比如壓電類或電磁類發生器。隻需一個橋式整流器，輸出電壓便可直接饋入ADP5310。

 

xianzai
，henduodianyuanguanlijichengdianlujunzhenduinengliangcaijiyingyongerzhuanmensheji。tamenkerangxitongzhichigengxiaodecaijiqi，huozheshixianshunianqianwufashejichulaidenengliangcaijijiejuefangan。xitongshejirenyuanyouyixiehaodexiangfaxianzaizhengzaishishizhong，bujiuzhihouwomenjiunengjianzhengtamendeshixianbingzantanbuyi。

 

 

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