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【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高效的能量收集的解決方案在某些能量收集應(yīng)用和操作條件下,壓電設(shè)備等傳感器可以產(chǎn)生遠(yuǎn)高于典型工作電平的高輸出電壓。在這些情況下,降壓轉(zhuǎn)換器或降壓轉(zhuǎn)換器為化換能器功率輸出提供了簡(jiǎn)單的選擇。對(duì)于這些類型的高輸入電壓能源,工程師可以使用凌力爾特公司,MaximIntegrated公司和***儀器公司等公司的可用降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)施高效的能量收集解決方案。
降壓轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)電感器以及一對(duì)電容器和開(kāi)關(guān),設(shè)計(jì)使得任何時(shí)候只有一個(gè)開(kāi)關(guān)接通。簡(jiǎn)單地說(shuō),當(dāng)開(kāi)關(guān)A打開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)B閉合,反之亦然(圖1)。在操作中,開(kāi)關(guān)交替,使電流流到電感器或接地。當(dāng)開(kāi)關(guān)A接通時(shí),開(kāi)關(guān)B斷開(kāi),電流從VIN流向電感器。當(dāng)開(kāi)關(guān)A斷開(kāi)時(shí),開(kāi)關(guān)B接通且電感器接地,因此存儲(chǔ)在電感器中的能量被釋放到負(fù)載中。
圖1:在典型降壓轉(zhuǎn)換器(A)的示意圖中,PWM控制器交替打開(kāi)和關(guān)閉一對(duì)開(kāi)關(guān),以將電流IA驅(qū)動(dòng)到電感器或電流IB從電感到主負(fù)載調(diào)節(jié)(B)。(由AnalogDevices提供。)
在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)中,電感電流永遠(yuǎn)不會(huì)降至零,而在非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)中,電感電流可能降至零。使用FET的降壓轉(zhuǎn)換器(如圖1所示)稱為同步降壓轉(zhuǎn)換器;非同步降壓轉(zhuǎn)換器使用肖特基二極管作為開(kāi)關(guān)B.由于FET具有比肖特基二極管更低的壓降,因此同步降壓轉(zhuǎn)換器通常更有效。
對(duì)于采用更高輸入電壓水平運(yùn)行的能量采集應(yīng)用,降壓轉(zhuǎn)換器提供了一種方便的解決方案,可限度地提高傳感器的功率輸出。具有線性源阻抗的高輸出電壓傳感器(如壓電器件)以特征功率曲線工作(圖2)。
圖2:具有恒定源阻抗的能量傳感器具有特征功率曲線,在負(fù)載阻抗與傳感器源阻抗匹配的點(diǎn)處具有功率輸出。(由Cymbet提供。)
為了保持功率輸出,傳感器必須在與其源阻抗相匹配的負(fù)載阻抗下工作-工作電壓通常是器件開(kāi)路電壓的一半。然而,在實(shí)踐中,該操作點(diǎn)(稱為功率點(diǎn)(MPP))響應(yīng)于其操作環(huán)境的變化而變化,包括能量源性質(zhì),溫度和壓電裝置本身的質(zhì)量負(fù)載的變化。
通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器,工程師可以通過(guò)設(shè)置轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率和電感器大小來(lái)設(shè)置傳感器的負(fù)載阻抗,并通過(guò)改變占空比來(lái)動(dòng)態(tài)改變它,以保持壓電器件的功率輸出。結(jié)合全波整流橋,同步轉(zhuǎn)換器可以從壓電裝置產(chǎn)生的交流電壓中提取能量,因?yàn)樗谶h(yuǎn)離其中性點(diǎn)的兩個(gè)方向上偏轉(zhuǎn)。
電感的選擇是降壓轉(zhuǎn)換器正常工作的關(guān)鍵問(wèn)題。通常,工程師可以從制造商的數(shù)據(jù)表中找到特定的推薦電感尺寸或尺寸范圍。對(duì)于其LTC3632同步降壓轉(zhuǎn)換器,凌力爾特公司建議根據(jù)下面的公式1設(shè)置電感值,受公式2的約束。
可用的降壓轉(zhuǎn)換器,如MaximIntegratedMAX638,LinearTechnologyLTC3632,LinearTechnologyLTC3388和TexasInstrumentsTPS62120,提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案,可將輸入電壓降至典型工作電壓水平(圖3)。
圖3:可用的降壓轉(zhuǎn)換器需要很少的外部元件。除了電感器和電容器對(duì)之外,凌力爾特公司LTC3632等設(shè)備還使用一對(duì)電阻作為其反應(yīng)控制環(huán)路的一部分。(由LinearTechnology提供。)
除了典型的電容器和電感器外,這類降壓轉(zhuǎn)換器通常使用一對(duì)電阻器來(lái)降低輸出電流,以便與片上電壓基準(zhǔn)開(kāi)展比較-800mV就LTC3632而言。對(duì)于LTC3632,如果VFB的電壓大于參考電壓,比較器將激活休眠模式,其中電源開(kāi)關(guān)和電流比較器被禁用,從而將VIN電源電流降至僅12μA。
***儀器(TI)TPS62120是一款用于能量采集應(yīng)用的同步降壓轉(zhuǎn)換器,支持2至15V的輸入電壓范圍,同時(shí)提供高達(dá)75mA的輸出電流。與LinearLTC3632類似,TITPS62120使用片上800mV基準(zhǔn)電壓源切換到低功耗睡眠模式。為了在輕負(fù)載條件下保持高效率,TI轉(zhuǎn)換器采用遲滯PFM/PWM控制器方案,器件在高負(fù)載時(shí)工作在PWM模式,并在輕負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換到PFM模式,其中VIN僅消耗10μA靜態(tài)電流。除了保持不同負(fù)載的效率之外,使用這種PFM/PWM方案還允許使用陶瓷電容器,這種電容器具有低串聯(lián)電阻并導(dǎo)致低輸出電壓紋波。
凌力爾特公司LTC3588-1專門設(shè)計(jì)用作壓電能量采集電源,擴(kuò)展了LinearLTC3388降壓穩(wěn)壓器,具有專門的片上功能。LTC3588-1集成了低損耗全波橋式整流器和降壓轉(zhuǎn)換器,可提供完整的壓電能源,僅具有降壓轉(zhuǎn)換器所需的常用外部元件(圖4)。
圖4:線性LTC3588-1將全波橋式整流器與降壓轉(zhuǎn)換器相結(jié)合,提供完整的壓電能量采集電源,只需少量外部電源組件。(由LinearTechnology提供。)
LTC3588-1能夠在多個(gè)可選輸出電壓下提供高達(dá)100mA的連續(xù)輸出功率,具有靜態(tài)電流欠壓鎖定(UVLO)模式和寬滯后窗口。在UVLO模式下,LTC3588-1僅消耗450nA電流,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(chǔ)電荷轉(zhuǎn)移到輸出。在調(diào)節(jié)方面,LTC3588-1進(jìn)入950nA低功耗狀態(tài),根據(jù)需要接通和關(guān)斷降壓轉(zhuǎn)換器以維持穩(wěn)壓。
結(jié)論
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