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)。

 

nengliangcaijishimuqianfeichangliuxingdeyigehuati。henduogongchengshidoubixupinggunengliangcaijijiejuefanganshifounengdaitihuobuchongxianyoudenengyuanjiejuefangan。zheleixitongmuqianrucishouhuanyingdeyuanyinshiwomenzuizhongdadaoleyigejunhengdian，jicongxiangduichengbenjiaodiqiechicunjiaoxiaodecaijiqihuodedenengliangzuyiweijidigonghaoweikongzhiqiheRF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10pingfanglimidecaijiqidazhikeyichanshengdenengyuanliang。gaituzuocexianshichanshengdenengyuan，youcexianshizhenduibutongrenwudegonghao。zhuyi

，zhongjiandegonglvchiduquduishu。zhezhangtuhenzhongyao

，keyicongzhonghuodeqieshikexingdeshejisilu。henduoshihou，shejirenyuandegongzuohejinglihuafeizaipinggunengliangcaijijiejuefanganshang，zuihouquefaxiansuocaijidenengliangbuzuyiweitedingxitonggongdian。

 

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，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4xianshileyigedianxingdeshijiyingyong。gaiquxianxianshilezhuzhailouneidebutongweizhi，yijicaiyongtaiyangnengdianchidechuanganqichuyuheianzhongdedianxingshijian。dangran，zhezhishiyigedianxinganli。chuanganqijieshoudeguangliangqujueyufangzidejiegou，baokuochuanghushuliang、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。ADP5090用yong作zuo電dian流liu源yuan，為wei超chao級ji電dian容rong或huo電dian池chi充chong電dian。此ci元yuan件jian對dui於yu消xiao耗hao能neng量liang的de能neng量liang采cai集ji而er言yan很hen重zhong要yao。這zhe樣yang可ke以yi實shi現xian很hen多duo沒mei有you恒heng定ding可ke用yong能neng量liang供gong采cai集ji並bing以yi指zhi定ding間jian隔ge執zhi行xing某mou些xie係xi統tong任ren務wu的de係xi統tong。例li如ru
，無wu線xian傳chuan感gan器qi網wang絡luo中zhong的de某mou個ge傳chuan感gan器qi需xu要yao每mei隔ge5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。

 

muqianyigefeichangshouhuanyingdejiagoushijiangnengliangcaijishebeijiaruyicidianchigongdiandexitongzhong。shiyongbukechongdiandianchidechanpinkeyichenggongditongguojiarunengliangcaijigongnenglaiyanchangxitongshouming。zheyangkeyiyanchanggongzuoshijian，erbuhuiyingxiangxitongdekekaoxing。zhenduizheleihunhexitong
，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。

 

現(xian)在(zai)，很(hen)多(duo)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)均(jun)針(zhen)對(dui)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)應(ying)用(yong)而(er)專(zhuan)門(men)設(she)計(ji)。它(ta)們(men)可(ke)讓(rang)係(xi)統(tong)支(zhi)持(chi)更(geng)小(xiao)的(de)采(cai)集(ji)器(qi)，或(huo)者(zhe)實(shi)現(xian)數(shu)年(nian)前(qian)無(wu)法(fa)設(she)計(ji)出(chu)來(lai)的(de)能(neng)量(liang)采(cai)集(ji)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)有(you)一(yi)些(xie)好(hao)的(de)想(xiang)法(fa)現(xian)在(zai)正(zheng)在(zai)實(shi)施(shi)中(zhong)，不(bu)久(jiu)之(zhi)後(hou)我(wo)們(men)就(jiu)能(neng)見(jian)證(zheng)它(ta)們(men)的(de)實(shi)現(xian)並(bing)讚(zan)歎(tan)不(bu)已(yi)。

 

 

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