從安全性到工業(yè)控制，無線傳感器正在各種應(yīng)用中使用，因為它們可以通過電池輕松供電。這是個好消息。壞消息是這些電池必須在現(xiàn)場定期更換，這是一個昂貴且笨拙的維護(hù)項目。因此，更實用和有效的無線電源解決方案是從環(huán)境能源中獲取能量，例如光，熱差，壓電設(shè)備，發(fā)射的RF信號，或任何其他可通過換能器產(chǎn)生電能的電源。

不幸的是，這些能源產(chǎn)生的電力非常低，包括電壓。更重要的是，它們不穩(wěn)定（例如，在夜間沒有陽光，沒有太陽能）。因此，要充分利用它們，需要超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，它可以提供從各種能源產(chǎn)生可用功率所需的必要升壓轉(zhuǎn)換，以及調(diào)節(jié)升壓輸出電壓。將能源轉(zhuǎn)化為有用的電源，凌力爾特公司和德州儀器等制造商已經(jīng)制造出超低功耗的升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，可以產(chǎn)生足夠的電壓和功率來驅(qū)動一系列無線傳感器和發(fā)射器。

能量收集解決方案

凌力爾特公司發(fā)布了各種超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器模塊，用于從壓電和光伏電源到熱電發(fā)電機（TEG）的能量收集。它們包括升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，如LTC3108/3109和LTC3105。此外，該供應(yīng)商還準(zhǔn)備了一套完整的能量收集解決方案LTC3588-1，該解決方案針對高輸出阻抗能源（如壓電傳感器）進(jìn)行了優(yōu)化。

雖然LTC3108的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可在低至輸入電壓的情況下工作LTC3105的高效率升壓結(jié)構(gòu)為20 mV，可在低至225 mV的輸入電壓下工作。如下圖1所示，采用SSOP或QFN封裝的LTC3108為使用小型升壓變壓器進(jìn)行無線傳感和數(shù)據(jù)采集提供了完整的電源管理解決方案。升壓轉(zhuǎn)換器的主輸出VOUT經(jīng)過編程，通過電壓選擇引腳VS1和VS2為發(fā)送器或傳感器供電，提供四個穩(wěn)壓輸出電壓中的一個（表1）。

VS2 VS1 VOUT GND GND 2.35 V GND VAUX 3.3 V VAUX GND 4.1 V VAUX VAUX 5 V

表1：使用選擇引腳VS1和VS2的LTC3108穩(wěn)壓輸出電壓。

圖1：Linear的LTC3108采用緊湊型升壓變壓器為無線傳感和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用提供完整的電源管理解決方案。此外，LTC3108還提供低電流，低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器，提供穩(wěn)定的2.2 VDC輸出，為低功耗供電處理器或其他低功耗IC。升壓轉(zhuǎn)換器的電源良好指示燈表示主輸出電壓在穩(wěn)壓范圍內(nèi)，存儲電容在輸入電壓源不可用時提供電源。極低靜態(tài)電流和高效率設(shè)計可確保輸出電容器電容的最快充電時間。升壓變壓器匝數(shù)比將決定轉(zhuǎn)換器啟動時的輸入電壓有多低。使用1：100比率可以產(chǎn)生低至20 mV的啟動電壓。影響性能的其他因素包括變壓器繞組的直流電阻和繞組的電感。較高的直流電阻會導(dǎo)致效率降低。實際上，產(chǎn)品數(shù)據(jù)表提供了選擇外部無源元件的指導(dǎo)，以使用LTC3108完成升壓DC/DC電源解決方案。

同樣，LTC3105可在225 mV至5 V的極寬輸入范圍內(nèi)工作，使其適合從高阻抗替代能源（包括光伏電池，熱電發(fā)電機（TEG）和燃料電池）獲取能量。升壓轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部400 mA同步開關(guān)可最大限度地提高效率，而其突發(fā)模式操作僅提供24μA的靜態(tài)電流，從而在所有工作條件下優(yōu)化轉(zhuǎn)換器效率。此外，用戶可編程的最大功率點控制器（MPPC）設(shè)定點可以最大化從任何電源提取的能量（圖2）。

圖2：升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器LTC3105的集成式最大功率點控制器（MPPC）支持低壓，高阻抗電源（如光伏電池，熱電發(fā)電機）的運行（ TEGs和燃料電池。

LTC3105針對無線傳感器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用量身定制，在主輸出電壓為充電時為外部微控制器和傳感器提供輔助6 mA 2.2 VDC LDO。完全充電后，主輸出可提供高達(dá)5.25 VDC的電壓，輸出電流高達(dá)100 mA。產(chǎn)品數(shù)據(jù)表顯示，即使輸入電壓大于或等于輸出電壓，LTC3105也可以調(diào)節(jié)輸出電壓，從而提供進(jìn)一步的設(shè)計靈活性。在關(guān)斷模式下，靜態(tài)電流進(jìn)一步降至10μA。

對于那些喜歡完整，優(yōu)化的高輸出阻抗能量源（如壓電傳感器）的能量收集解決方案，凌力爾特公司提供LTC3588-1，它將低損耗全波橋式整流器與片內(nèi)高效率降壓轉(zhuǎn)換器集成在一起（圖3）。根據(jù)供應(yīng)商的說法，具有寬滯后窗口的超低靜態(tài)電流欠壓鎖定（UVLO）模式允許電荷累積在輸入電容上，直到降壓轉(zhuǎn)換器可以有效地將一部分存儲的電荷轉(zhuǎn)移到輸出。在調(diào)節(jié)模式下，LTC3588-1進(jìn)入休眠狀態(tài)，其中輸入和輸出靜態(tài)電流都很小。降壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)需要打開和關(guān)閉以維持調(diào)節(jié)。此外，能量采集電源的四個直流輸出電壓，1.8 V，2.5 V，3.3 V和3.6 V，可通過引腳選擇，最高可達(dá)100 mA的連續(xù)輸出電流。

圖3：凌力爾特公司的LTC3588-1集成了低損耗全波橋式整流器和高效降壓轉(zhuǎn)換器，為壓電傳感器等高輸出阻抗能源形成了完整的能量收集解決方案。

提升低功耗

德州儀器（TI）旗下的另一家供應(yīng)商提供其BQ25504升壓轉(zhuǎn)換器，專門用于高效采集和管理從各種直流電源（如太陽能電池或TEG）產(chǎn)生的μW至mW的功率。 BQ25504專為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)而設(shè)計，僅需微瓦電源即可開始運行。一旦啟動，升壓轉(zhuǎn)換器/充電器可以有效地從低壓輸出采集器（如TEG或單/雙單元太陽能電池板）中提取電力。數(shù)據(jù)手冊建議升壓轉(zhuǎn)換器可以在輸入電壓VIN低至330 mV的情況下啟動。一旦啟動，它可以繼續(xù)從直流電源獲取能量，降至80 mV。為了最佳地將功率傳輸?shù)狡骷?，BQ25504實現(xiàn)了可編程的最大功率點跟蹤采樣網(wǎng)絡(luò)。采用外部電阻對開路電壓采樣（VIN_DC）進(jìn)行編程，并用外部電容CREF保持，如圖4所示。

圖4：太陽能典型的能量采集電路使用TI超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器BQ25504的電池。

本質(zhì)上，BQ25504是一款高效的同步升壓轉(zhuǎn)換器/充電器，具有超低靜態(tài)電流要求。其開關(guān)穩(wěn)壓器架構(gòu)可最大限度地提高效率，同時將啟動和運行功此外，它使用脈沖頻率調(diào)制（PFM）技術(shù)來保持效率，即使在輕負(fù)載條件下也是如此。此外，BQ25504還具有電池保護(hù)功能，可充電電池或電容器可用作儲能元件?？傊?，凌力爾特公司和德州儀器等供應(yīng)商已開發(fā)出超低功耗升壓轉(zhuǎn)換器，創(chuàng)建能量收集解決方案，以驅(qū)動各種無線傳感器，這些傳感器部署在從工廠自動化到遠(yuǎn)程站點數(shù)據(jù)收集的各種應(yīng)用中。