背景信息

便攜式電源應用多種多樣，應用領(lǐng)域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn) (WSN) 到采用數百瓦-時(shí)電池組的推車(chē)式醫療或數據采集系統應有盡有。不過(guò)，盡管應用多種多樣，仍然能夠總結出幾種趨勢：設計師繼續要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能；用任何可用電源給電池充電。第一種趨勢要求增大電池容量。不幸的是，用戶(hù)常常不夠耐心，不能容忍充電時(shí)間太長(cháng)，所以容量增大的同時(shí)，充電時(shí)間必須仍然保持合理，這就導致充電電流增大。第二種趨勢要求電池充電解決方案具有極大的靈活性。本文將詳盡地探討這些問(wèn)題。
看一下新式手持式設備，面向消費者的設備和工業(yè)設備都有可能包含蜂窩手機調制解調器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大型背光照明顯示器等等。很多手持式設備的電源架構與蜂窩手機類(lèi)似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因為這類(lèi)電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過(guò)去，很多高功率設備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著(zhù)低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市，越來(lái)越多的手持式設備采用了更低電壓架構。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。一個(gè)典型的平板電腦具有很多功能，同時(shí)采用非常大 (就便攜式設備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達到數千毫安-時(shí)，例如 2200mAh。為了在數小時(shí)內完成這種電池的充電，需要數千毫安充電電流。
然而，充電電流這么大的同時(shí)，如果大電流交流適配器不可用，消費者還可能要求用 USB 端口給大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這些要求，在交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能夠以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能夠高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護敏感的下游低壓組件，使其避免過(guò)壓事件導致的損壞，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池無(wú)縫地引導到負載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來(lái)了極好的機會(huì )，他們可以開(kāi)發(fā)安全管理電池充電算法、監視關(guān)鍵系統參數的 IC。
在電源應用領(lǐng)域的另一端，是能量收集系統的毫微功率轉換要求，例如 WSN 中常見(jiàn)的能量收集系統，這類(lèi)系統必須使用電源轉換 IC，以處理非常低的功率和電流，可能分別為數十微瓦和數十納安。

能量收集 WSN

我們周?chē)�有大量環(huán)境能源，傳統的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機。不過(guò)，新的收集工具允許我們用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉換效率，而較重要的是用來(lái)供電之“平均收集得到的”能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉換成電力，壓電組件轉換機械振動(dòng)，光伏組件轉換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件將潮氣轉換成電能。這樣就有可能給遠程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無(wú)需本地電源而接受遠程供電。

一般而言，能進(jìn)入并用于非傳統能源市場(chǎng)的 IC 所必需的性能和特性包括以下各項：

•  低備用靜態(tài)電流，典型值低于 6µA，可低至 450nA
• 低啟動(dòng)電壓，低至 20mV
• 接受高輸入電壓的能力，高達 34V 連續電壓和 40V 瞬態(tài)電壓
•  能夠處理 AC 輸入
•  多輸出能力和自主系統電源管理
• 自動(dòng)極性運行
•  針對太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)
•  能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量
•  需要最少的外部組件，解決方案占板面積緊湊

WSN 基本上是一種自含式系統，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉換成電信號，其后跟著(zhù)的通常是 DC/DC 轉換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

在實(shí)現 WSN 時(shí)，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是：運行這個(gè) WSN 需要多少功率？從概念上看，這似乎是一個(gè)相當簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然而實(shí)際上，由于受到若干因素的影響，這是一個(gè)有點(diǎn)難以回答的問(wèn)題。例如，需要間隔多長(cháng)時(shí)間獲取一次讀數？或者，更重要的是，數據包多大？需要傳送多遠? 這是因為，獲取一次傳感器讀數，系統所用能量約有 50% 是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響 WSN 能量收集系統的功耗特性。

當然，能量收集電源提供的能量多少取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統的可用功率一般很低，隨時(shí)變化且不可預測，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲存器的混合架構。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統的能源。輔助電力儲存器 (電池或電容器) 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲存較少的能量，在需要時(shí)供電，除此之外定期接收來(lái)自收集器的電荷。因此，在沒(méi)有可從其收集能量的環(huán)境能源時(shí)，必須用輔助電力儲存器給 WSN 供電。當然，從系統設計師的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復雜性，因為他們現在必須考慮，必須在輔助電力儲存器中儲存多少能量，才能補償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲存多少能量，取決于幾個(gè)因素，包括：

(1) 環(huán)境能源不存在的時(shí)間。
(2) WSN 占空比 (即讀取數據和發(fā)送數據的頻度)。
(3) 輔助電力儲存器 (電容器、超級電容器或電池) 的尺寸和類(lèi)型。
(4) 環(huán)境能源是否足夠? 即既能充當主能源，又有足夠的富余能量給輔助電力儲存器充電，以當環(huán)境能源在某些規定時(shí)間內不可用時(shí)，給系統供電。

環(huán)境能源包括光、熱差、振動(dòng)波束、發(fā)送的 RF 信號或者其他任何能夠通過(guò)換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表 1 說(shuō)明了不同能源能夠產(chǎn)生的能量大小。

表 1：能源及其產(chǎn)生的能量大小

一款毫微功率 IC 解決方案

顯然，WSN 可獲得的能量很低。這又意味著(zhù)，該系統中所用組件必須能夠應對這種低功率情況。盡管收發(fā)器和微控制器已經(jīng)解決了這個(gè)問(wèn)題，但是在電源轉換方面仍然存在空白。不過(guò)，凌力爾特推出了 LTC3388-1 / LTC3388-3，以專(zhuān)門(mén)應對這種需求。

LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款 20V 輸入、同步降壓型轉換器，可提供高達 50mA 的連續輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，參見(jiàn)圖 1 所示原理圖。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，適用于多種能量收集和電池供電應用，包括 “保持有效” 的電源和工業(yè)控制電源。

圖 1：LTC3388-1 / LTC3388-3 典型應用原理圖

LTC3388-1 / LTC3388-3 運用遲滯同步整流方法，以在很寬的負載電流范圍內優(yōu)化效率。該器件在 15uA 至50mA 負載范圍內可提供超過(guò) 90% 的效率，且僅需要 400nA 靜態(tài)電流，從而使其能夠延長(cháng)電池壽命。該器件采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10 封裝)，僅需要 5 個(gè)外部組件，可為種類(lèi)繁多的低功率應用組成非常簡(jiǎn)單和占板面積很緊湊的解決方案。

LTC3388-1 / LTC3388-3 提供準確的欠壓閉鎖 (ULVO) 功能，以在輸入電壓降至低于 2.3V 時(shí)禁止轉換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為 400nA。一旦進(jìn)入穩定狀態(tài) (無(wú)負載時(shí))，LTC3388-1 / LTC3388-3 就進(jìn)入休眠模式，以最大限度地降低靜態(tài)電流，使其達到僅為 720nA。然后，該降壓型轉換器按需接通和斷開(kāi)，以保持輸出穩定。當輸出在持續時(shí)間很短的負載 (例如無(wú)線(xiàn)調制解調器，這類(lèi)負載要求低紋波) 情況下處于穩定狀態(tài)時(shí)，另一種備用模式禁止切換。這種高效率、低靜態(tài)電流設計適用于能量收集等多種應用，這類(lèi)應用需要長(cháng)充電周期，同時(shí)以短突發(fā)負載為傳感器和無(wú)線(xiàn)調制解調器供電。

結論

盡管便攜式應用和能量收集系統正常工作時(shí)功率大小差異很大，從數微瓦直至高于 1W，但是有很多電源轉換 IC 可供系統設計師選擇。不過(guò)，在需要轉換毫微安電流的較低功率情況下，選擇變得有限了。

幸運的是，LTC3388-1 / LTC3388-3 單片降壓型轉換器的極低靜態(tài)電流使該器件非常適用于低功率應用。低于 1µA 的靜態(tài)電流可為便攜式電子產(chǎn)品中 “保持有效” 的電路延長(cháng)電池壽命，實(shí)現了 WSN 等全新一代能量收集應用。