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、weixitongshengchengzhengquedeshuchudianyayijijiankongdianliuliudonghedianya，congerxingchengyigekekaodexitong。suoyouzhexierenwudoubixuzaijididedianyuangonglvtiaojianxiashixian，yibianxitongnenggoucaiyongxiaoxingcaijiqihuo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。

 

nengliangcaijihaiyongyuxiaofeidianzishebeizhong
，birubianxieshishebeihekechuandaishebei。zaijiatingyiliaobaojianyingyongzhong，wuxianbingrenjianhuxuyaozaiwudianchideqingkuangxiashiyong


，huozheyanchangdianchishouming。

 

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10平ping方fang厘li米mi的de采cai集ji器qi大da致zhi可ke以yi產chan生sheng的de能neng源yuan量liang。該gai圖tu左zuo側ce顯xian示shi產chan生sheng的de能neng源yuan，右you側ce顯xian示shi針zhen對dui不bu同tong任ren務wu的de功gong耗hao。注zhu意yi，中zhong間jian的de功gong率lv尺chi度du取qu對dui數shu。這zhe張zhang圖tu很hen重zhong要yao，可ke以yi從cong中zhong獲huo得de切qie實shi可ke行xing的de設she計ji思si路lu。很hen多duo時shi候hou
，設she計ji人ren員yuan的de工gong作zuo和he精jing力li花hua費fei在zai評ping估gu能neng量liang采cai集ji解jie決jue方fang案an上shang，最zui後hou卻que發fa現xian所suo采cai集ji的de能neng量liang不bu足zu以yi為wei特te定ding係xi統tong供gong電dian。

 

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

 

電dian源yuan轉zhuan換huan和he管guan理li通tong常chang是shi現xian代dai能neng量liang采cai集ji係xi統tong的de核he心xin組zu件jian。雖sui然ran某mou些xie應ying用yong並bing不bu采cai用yong複fu雜za的de功gong率lv器qi件jian，但dan更geng多duo應ying用yong的de功gong率lv器qi件jian較jiao為wei複fu雜za。不bu含han智zhi能neng電dian源yuan管guan理li的de係xi統tong示shi例li有you鏈lian式shi太tai陽yang能neng電dian池chi堆dui棧zhan，可ke生sheng成cheng相xiang對dui較jiao高gao的de直zhi流liu電dian壓ya，直zhi接jie為wei係xi統tong供gong電dian或huo在zai兩liang者zhe之zhi間jian放fang置zhi一yi個ge簡jian單dan的de線xian性xing穩wen壓ya器qi後hou供gong電dian。這zhe類lei係xi統tong通tong常chang達da不bu到dao最zui佳jia的de能neng效xiao，或huo者zhe電dian源yuan電dian壓ya不bu能neng良liang好hao調tiao節jie。雖sui然ran某mou些xie負fu載zai可ke以yi在zai變bian化hua較jiao大da的de電dian源yuan電dian壓ya下xia工gong作zuo
，但dan另ling一yi些xie不bu行xing。此ci外wai，更geng高gao級ji的de係xi統tong傾qing向xiang於yu要yao求qiu使shi用yong某mou類lei電dian壓ya轉zhuan換huan器qi和he管guan理li模mo塊kuai。

 

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

，但(dan)依(yi)然(ran)可(ke)采(cai)集(ji)能(neng)量(liang)。這(zhe)對(dui)於(yu)那(na)些(xie)在(zai)非(fei)最(zui)優(you)情(qing)況(kuang)下(xia)花(hua)了(le)很(hen)多(duo)時(shi)間(jian)的(de)係(xi)統(tong)而(er)言(yan)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)，比(bi)如(ru)采(cai)用(yong)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)的(de)室(shi)內(nei)傳(chuan)感(gan)器(qi)。太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)在(zai)早(zao)上(shang)和(he)晚(wan)上(shang)受(shou)到(dao)的(de)光(guang)照(zhao)可(ke)能(neng)很(hen)少(shao)

，進(jin)而(er)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)也(ye)非(fei)常(chang)少(shao)。在(zai)這(zhe)些(xie)時(shi)間(jian)內(nei)采(cai)集(ji)一(yi)定(ding)能(neng)量(liang)有(you)利(li)於(yu)給(gei)定(ding)時(shi)間(jian)段(duan)內(nei)的(de)總(zong)功(gong)率(lv)預(yu)算(suan)。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5所(suo)示(shi)。在(zai)開(kai)環(huan)條(tiao)件(jian)下(xia)，沒(mei)有(you)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)時(shi)
，所(suo)提(ti)供(gong)的(de)電(dian)壓(ya)達(da)到(dao)最(zui)大(da)值(zhi)。然(ran)後(hou)，隨(sui)著(zhe)電(dian)流(liu)流(liu)動(dong)，電(dian)壓(ya)開(kai)始(shi)下(xia)降(jiang)。在(zai)極(ji)高(gao)的(de)電(dian)流(liu)下(xia)
，電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)得(de)非(fei)常(chang)快(kuai)。在(zai)曲(qu)線(xian)的(de)中(zhong)部(bu)形(xing)成(cheng)了(le)一(yi)個(ge)膝(xi)蓋(gai)形(xing)狀(zhuang)，它(ta)就(jiu)是(shi)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)點(dian)。在(zai)該(gai)點(dian)處(chu)，電(dian)壓(ya)依(yi)然(ran)相(xiang)對(dui)較(jiao)高(gao)

，但(dan)吸(xi)取(qu)了(le)較(jiao)多(duo)電(dian)流(liu)。為(wei)了(le)在(zai)最(zui)大(da)峰(feng)值(zhi)功(gong)率(lv)點(dian)處(chu)工(gong)作(zuo)
，我(wo)們(men)需(xu)要(yao)跟(gen)蹤(zong)這(zhe)一(yi)點(dian)。僅(jin)設(she)置(zhi)一(yi)個(ge)我(wo)們(men)所(suo)描(miao)繪(hui)的(de)固(gu)定(ding)電(dian)流(liu)值(zhi)是(shi)無(wu)法(fa)工(gong)作(zuo)的(de)，因(yin)為(wei)圖(tu)5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

 

MPP跟(gen)蹤(zong)確(que)保(bao)大(da)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)從(cong)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)或(huo)熱(re)電(dian)發(fa)生(sheng)器(qi)等(deng)電(dian)源(yuan)采(cai)集(ji)
，但(dan)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)單(dan)元(yuan)還(hai)有(you)其(qi)它(ta)任(ren)務(wu)。例(li)如(ru)，它(ta)需(xu)要(yao)在(zai)某(mou)個(ge)電(dian)壓(ya)窗(chuang)口(kou)內(nei)控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。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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