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ADI:能量收集功率转化的新进展

文章转自ADI官网,版权归属原作者所有 能量采集技术已经面世很长时间了。我依然记得19

文章转自ADI官网,版权归属原作者一切

能量收集技能现已问世很长时刻了。我仍然记住1980年代,我的袖珍核算器选用太阳能电池为核算单元和LCD显现器供电。乃至在此之前的电气革新前期阶段,便已将发电设备或许发电机放在河上磨坊里,经过飞跃的水流发电并获取可供运用的动力。现在,当咱们评论能量收集的时分,咱们一般指用来替代电子设备中电池。因而,1980年的袖珍核算器比方十分契合咱们现在所说的"能量收集"。

能量收集体系设置

明显,能量收集体系中最重要的便是收集器了,而最常见的是太阳能电池。收集器发作的电能需转化为有用的电压或电流,才能为体系供电,或许为超级电容和电池等中心储能设备充电。体系上电后,需针对电子设备发作正确的电压。图1显现了能满意各种不同使命需求的电源办理单元。使输入阻抗匹配,以便最大程度收集能量、为中心储能设备充电、从传统一次电池搬运电能、为体系生成正确的输出电压以及监控电流活动和电压,然后构成一个牢靠的体系。一切这些使命都必须在极低的电源功率条件下完成,以便体系能够选用小型收集器或传感器。这些功用高度集成在DC-DC转化器中,有助于下降这类使命所需的电能。

图1中的体系显现了一个用于无线环境传感器的典型能量收集体系。这些传感器一般用来检测温度、湿度或各种气体,比方二氧化碳。能量收集还有许多其它运用。无线占位传感器或工业监控(比方财物追寻和机器监控)中的安全与安保方面归于工业运用。

能量收集还用于消费电子设备中,比方便携式设备和可穿戴设备。在家庭医疗保健运用中,无线患者监护需求在无电池的状况下运用,或许延伸电池寿数。

能量收集是现在十分盛行的一个论题。许多工程师都必须评价能量收集解决方案是否能替代或弥补现有的动力解决方案。这类体系现在如此受欢迎的原因是咱们终究到达了一个均衡点,即从相对本钱较低且标准较小的收集器取得的能量足认为极低功耗微操控器和RF电路供电。曩昔数年内,电子产品的更新换代和能耗都有了前进,因而5到10年前不行行的许多运用现在都得以完成,且经济实惠。

Figure 1
图1. 能量收集体系设置

不同的能量来历

能量有各种来历,最常见的是光伏(PV)、热电(TEG)、电磁、压电和RF。光伏和热电收集器发作直流电压,而电磁、压电和RF收集器发作交变电压或沟通电压。这便使得电源转化技能的要求稍有不同。

图2显现了不同的收集类型,以及一个标准为10平方厘米的收集器大致能够发作的动力量。该图左边显现发作的动力,右侧显现针对不同使命的功耗。留意,中心的功率标准取对数。这张图很重要,能够从中取得切实可行的规划思路。许多时分,规划人员的作业和精力花费在评价能量收集解决方案上,最终却发现所收集的能量缺乏认为特定体系供电。

Figure 2
图2. 不同的能量来历和不同运用所需的能量要求

DC-DC转化器单元的重要性

电源转化和办理一般是现代能量收集体系的中心组件。尽管某些运用并不选用杂乱的功率器材,但更多运用的功率器材较为杂乱。不含智能电源办理的体系示例有链式太阳能电池仓库,可生成相对较高的直流电压,直接为体系供电或在两者之间放置一个简略的线性稳压器后供电。这类体系一般达不到最佳的能效,或许电源电压不能杰出调理。尽管某些负载能够在改变较大的电源电压下作业,但另一些不行。此外,更高档的体系倾向于要求运用某类电压转化器和办理模块。

Figure 3
图3. 合适能量收集运用的电源办理器材功用框图

图3显现了合适能量收集运用的现代电源办理器材的功用框图。它包括发动电路,该电路带电荷泵,使输入端上的发动电压为380 mV。体系运转后,ADP5090的内部电路由ADP5090的输出电压供电。它也是为能量收集体系负载供电的节点。当节点高于1.9 V时,输入电压可下降至80 mV,但仍然可收集能量。这关于那些在非最优状况下花了许多时刻的体系而言十分有用,比方选用太阳能电池供电的室内传感器。太阳能电池在早上和晚上遭到的光照或许很少,从而发作的电能也十分少。在这些时刻内收集必定能量有利于给定时刻段内的总功率预算。ADP5090具有低静态电流特性,因而从另一方面改进了这类状况。需留意的是,其功耗仅为260 nA。图4显现了一个典型的实践运用。该曲线显现了住所楼内的不同方位,以及选用太阳能电池的传感器处于黑私自的典型时刻。当然,这仅仅一个典型事例。传感器接纳的光量取决于房子的结构,包括窗户数量、在用的电灯数量以及传感器的切当方位。此外,一年中的时节和房子的方位也会影响这类图形。要点在于,在这种改变较大的照明条件下,ADP5090的低功耗特性对总功率预算极为有协助,尤其是那些大部分时刻都处于黑私自的场所。

Figure 4
图4. 不同住所楼方位的传感器处于黑私自的典型时刻

ADP5090中的DC-DC转化器级很有意思。正如大部分DC-DC转化器,它具有调理环路。但是,它既不会调理输出电压,也不会调理输出电流。调理环路主要以调理输入阻抗的方法设置。

太阳能电池的电流和电压体现如图5所示。在开环条件下,没有电流流过期,所供给的电压到达最大值。然后,跟着电流活动,电压开端下降。在极高的电流下,电压下降得十分快。在曲线的中部构成了一个膝盖形状,它便是峰值功率点。在该点处,电压仍然相对较高,但吸取了较多电流。为了在最大峰值功率点处作业,咱们需求盯梢这一点。仅设置一个咱们所描绘的固定电流值是无法作业的,因为图5中特定太阳能电池的曲线将依据不同的光照条件而发作偏移。如需盯梢MPP(最大峰值功率点),则ADP5090中止在输入端传导电流并在不加载 太阳能电池电压的状况下查看该电压,然后设置下一个16秒的MPP。经过此时刻周期之后,再次履行开环查看。16秒是个杰出的折衷点,既远离MPP漂移,又不会过于频频地中止收集操作。

Figure 5
图5. 典型光伏电池的电压和电流曲线

MPP盯梢保证大部分能量从光伏电池或热电发作器等电源收集,但电源办理单元还有其它使命。例如,它需求在某个电压窗口内操控输出电压。ADP5090用作电流源,为超级电容或电池充电。此元件关于耗费能量的能量收集而言很重要。这样能够完成许多没有稳定可用能量供收集并以指定距离履行某些体系使命的体系。例如,无线传感器网络中的某个传感器需求每隔5分钟发送一次温度值。假如该传感器由太阳能电池供电,因为中心储能单元,体系仍然能够在没有光照的状况下作业。

现在一个十分受欢迎的架构是将能量收集设备参加一次电池供电的体系中。运用不行充电电池的产品能够成功地经过参加能量收集功用来延伸体系寿数。这样能够延伸作业时刻,而不会影响体系的牢靠性。针对这类混合体系,ADP5090供给操控一次电池的才能。当没有满足的收集能量时,一次电池的电源途径便转而直接为负载供电。

Figure 6
图6. 合适能量收集运用的电源办理级示例

图6显现了一个完好的能量收集功率级,不只包括主ADP5090 MPPT能量收集IC,还带有一个备用IC,即ADP5310。它是一款DC-DC转化器,能够十分高效地发作两路输出电压。在100 μA输出电流时,其功率挨近90%。此外,ADP5310还集成了一个负载开关。此负载开关可用来封闭那些继续耗费能量的负载,哪怕这些负载并未运用。

ADP5310降压转化器支撑的输入电压最高达15 V。因而,这款器材能够直接用于沟通电压生成器,比方压电类或电磁类发作器。只需一个桥式整流器,输出电压便可直接馈入ADP5310。

现在,许多电源办理集成电路均针对能量收集运用而专门规划。它们可让体系支撑更小的收集器,或许完成数年前无法规划出来的能量收集解决方案。体系规划人员有一些好的主意现在正在施行中,不久之后咱们就能见证它们的完成并赞叹不已。

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