電源低功率設計——多低才算低？

　　背景信息

　　便攜式電源應用多種多樣，應用領域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級的無線傳感器節(jié)點 (WSN) 到采用數(shù)百瓦-時電池組的推車式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應有盡有。不過，盡管應用多種多樣，仍然能夠總結出幾種趨勢：設計師繼續(xù)要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來越多的功能;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，用戶常常不夠耐心，不能容忍充電時間太長，所以容量增大的同時，充電時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似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因為這類電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過去，很多高功率設備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著低價 5V 電源管理 IC 的上市，越來越多的手持式設備采用了更低電壓架構。平板電腦很好地說明了這一點。一個典型的平板電腦具有很多功能，同時采用非常大 (就便攜式設備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時，容量必須達到數(shù)千毫安-時，例如 2200mAh。為了在數(shù)小時內完成這種電池的充電，需要數(shù)千毫安充電電流。

　　然而，充電電流這么大的同時，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。為了滿足這些要求，在交流適配器可用時，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縫地引導到負載，同時最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來了極好的機會，他們可以開發(fā)安全管理電池充電算法、監(jiān)視關鍵系統(tǒng)參數(shù)的 IC。

　　在電源應用領域的另一端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉換要求，例如 WSN 中常見的能量收集系統(tǒng)，這類系統(tǒng)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(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

　　能量收集 WSN

　　我們周圍有大量環(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽能電池板和風力發(fā)電機。不過，新的收集工具允許我們用種類繁多的環(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，光伏組件轉換太陽光 (或任何光源)，通過化學作用產(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)送器能夠無需本地電源而接受遠程供電。

　　一般而言，能進入并用于非傳統(tǒng)能源市場的 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

　　§ 低啟動電壓，低至 20mV

　　§ 接受高輸入電壓的能力，高達 34V 連續(xù)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(tǒng)電源管理

　　§ 自動極性運行

　　§ 針對太陽能輸入的最大功率點控制 (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(tǒng)，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉換成電信號，其后跟著的通常是 DC/DC 轉換器和管理器，以通過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。

　　在實現(xiàn) WSN 時，需要考慮的一個問題是：運行這個 WSN 需要多少功率?從概念上看，這似乎是一個相當簡單的問題，然而實際上，由于受到若干因素的影響，這是一個有點難以回答的問題。例如，需要間隔多長時間獲取一次讀數(shù)?或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大?需要傳送多遠? 這是因為，獲取一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的可用功率一般很低，隨時變化且不可預測，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(tǒng)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，在需要時供電，除此之外定期接收來自收集器的電荷。因此，在沒有可從其收集能量的環(huán)境能源時，必須用輔助電力儲存器給 WSN 供電。當然，從系統(tǒng)設計師的角度來看，這進一步增加了復雜性，因為他們現(xiàn)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，取決于幾個因素，包括：

　　(1) 環(huán)境能源不存在的時間。

　　(2) WSN 占空比 (即讀取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)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(guī)定時間內不可用時，給系統(tǒng)供電。

　　環(huán)境能源包括光、熱差、振動波束、發(fā)送的 RF 信號或者其他任何能夠通過換能器產(chǎn)生電荷的能源。以下表 1 說明了不同能源能夠產(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，該系統(tǒng)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)解決了這個問題，但是在電源轉換方面仍然存在空白。不過，凌力爾特推出了 LTC3388-1 / LTC3388-3，以專門應對這種需求。

　　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(xù)輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，參見圖 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 90% 的效率，且僅需要 400nA 靜態(tài)電流，從而使其能夠延長電池壽命。該器件采用 3mm x 3mm DFN 封裝 (或 MSOP-10 封裝)，僅需要 5 個外部組件，可為種類繁多的低功率應用組成非常簡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 時禁止轉換器，從而將靜態(tài)電流降至僅為 400nA。一旦進入穩(wěn)定狀態(tài) (無負載時)，LTC3388-1 / LTC3388-3 就進入休眠模式，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，以保持輸出穩(wěn)定。當輸出在持續(xù)時間很短的負載 (例如無線調制解調器，這類負載要求低紋波) 情況下處于穩(wěn)定狀態(tài)時，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，這類應用需要長充電周期，同時以短突發(fā)負載為傳感器和無線調制解調器供電。

　　結論

　　盡管便攜式應用和能量收集系統(tǒng)正常工作時功率大小差異很大，從數(shù)微瓦直至高于 1W，但是有很多電源轉換 IC 可供系統(tǒng)設計師選擇。不過，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” 的電路延長電池壽命，實現(xiàn)了 WSN 等全新一代能量收集應用。