能量采集係統設置

 

xianran
，nengliangcaijixitongzhongzuizhongyaodejiushicaijiqile，erzuichangjiandeshitaiyangnengdianchi。caijiqichanshengdediannengxuzhuanhuanweiyouyongdedianyahuodianliu，cainengweixitonggongdian
，huozheweichaojidianronghedianchidengzhongjianchunengshebeichongdian。xitongshangdianhou

，xuzhenduidianzishebeichanshengzhengquededianya。tu1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

 

dianyuanzhuanhuanheguanlitongchangshixiandainengliangcaijixitongdehexinzujian。suiranmouxieyingyongbingbucaiyongfuzadegonglvqijian，dangengduoyingyongdegonglvqijianjiaoweifuza。buhanzhinengdianyuanguanlidexitongshiliyoulianshitaiyangnengdianchiduizhan
，keshengchengxiangduijiaogaodezhiliudianya，zhijieweixitonggongdianhuozailiangzhezhijianfangzhiyigejiandandexianxingwenyaqihougongdian。zheleixitongtongchangdabudaozuijiadenengxiao，huozhedianyuandianyabunenglianghaotiaojie。suiranmouxiefuzaikeyizaibianhuajiaodadedianyuandianyaxiagongzuo，danlingyixiebuxing。ciwai
，genggaojidexitongqingxiangyuyaoqiushiyongmouleidianyazhuanhuanqiheguanlimokuai。

 

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，但dan依yi然ran可ke采cai集ji能neng量liang。這zhe對dui於yu那na些xie在zai非fei最zui優you情qing況kuang下xia花hua了le很hen多duo時shi間jian的de係xi統tong而er言yan非fei常chang有you用yong
，比bi如ru采cai用yong太tai陽yang能neng電dian池chi供gong電dian的de室shi內nei傳chuan感gan器qi。太tai陽yang能neng電dian池chi在zai早zao上shang和he晚wan上shang受shou到dao的de光guang照zhao可ke能neng很hen少shao
，進jin而er產chan生sheng的de電dian能neng也ye非fei常chang少shao。在zai這zhe些xie時shi間jian內nei采cai集ji一yi定ding能neng量liang有you利li於yu給gei定ding時shi間jian段duan內nei的de總zong功gong率lv預yu算suan。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)、在zai用yong的de電dian燈deng數shu量liang以yi及ji傳chuan感gan器qi的de確que切qie位wei置zhi。此ci外wai
，一yi年nian中zhong的de季ji節jie和he房fang子zi的de位wei置zhi也ye會hui影ying響xiang這zhe類lei圖tu形xing。重zhong點dian在zai於yu
，在zai這zhe種zhong變bian化hua較jiao大da的de照zhao明ming條tiao件jian下xia，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5suoshi。zaikaihuantiaojianxia，meiyoudianliuliuguoshi
，suotigongdedianyadadaozuidazhi。ranhou，suizhedianliuliudong
，dianyakaishixiajiang。zaijigaodedianliuxia

，dianyaxiajiangdefeichangkuai。zaiquxiandezhongbuxingchengleyigexigaixingzhuang，tajiushifengzhigonglvdian。zaigaidianchu
，dianyayiranxiangduijiaogao，danxiqulejiaoduodianliu。weilezaizuidafengzhigonglvdianchugongzuo，womenxuyaogenzongzheyidian。jinshezhiyigewomensuomiaohuidegudingdianliuzhishiwufagongzuode，yinweitu5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

 

MPPgenzongquebaodabufennengliangcongguangfudianchihuoredianfashengqidengdianyuancaiji
，dandianyuanguanlidanyuanhaiyouqitarenwu。liru，taxuyaozaimougedianyachuangkouneikongzhishuchudianya。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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