降压转换器实现高效的能量收集的解决方案

在某些能量收集应用和操作条件下，压电设备等传感器可以产生远高于典型工作电平的高输出电压。在这些情况下，降压转换器或降压转换器为最大化换能器功率输出提供了简单的选择。对于这些类型的高输入电压能源，工程师可以使用凌力尔特公司，Maxim Integrated公司和德州仪器公司等公司的可用降压转换器实施高效的能量收集解决方案。

降压转换器包括一个电感器以及一对电容器和开关，设计使得任何时候只有一个开关接通。简单地说，当开关A打开时，开关B闭合，反之亦然(图1)。在操作中，开关交替，使电流流到电感器或接地。当开关A接通时，开关B断开，电流从VIN流向电感器。当开关A断开时，开关B接通且电感器接地，因此存储在电感器中的能量被释放到负载中。

 

 

图1：在典型降压转换器(A)的示意图中，PWM控制器交替打开和关闭一对开关，以将电流IA驱动到电感器或电流IB从电感到主负载调节(B)。 (由Analog Devices提供。)

在连续导通模式(CCM)中，电感电流永远不会降至零，而在非连续导通模式(DCM)中，电感电流可能降至零。使用FET的降压转换器(如图1所示)称为同步降压转换器;非同步降压转换器使用肖特基二极管作为开关B.由于FET具有比肖特基二极管更低的压降，因此同步降压转换器通常更有效。

对于采用更高输入电压水平运行的能量采集应用，降压转换器提供了一种方便的解决方案，可最大限度地提高传感器的功率输出。具有线性源阻抗的高输出电压传感器(如压电器件)以特征功率曲线工作(图2)。

 

 

图2：具有恒定源阻抗的能量传感器具有特征功率曲线，在负载阻抗与传感器源阻抗匹配的点处具有最大功率输出。 (由Cymbet提供。)

为了保持最大功率输出，传感器必须在与其源阻抗相匹配的负载阻抗下工作 - 工作电压通常是器件开路电压的一半。然而，在实践中，该操作点(称为最大功率点(MPP))响应于其操作环境的变化而变化，包括能量源性质，温度和压电装置本身的质量负载的变化。

通过降压转换器，工程师可以通过设置转换器的开关频率和电感器大小来设置传感器的负载阻抗，并通过改变占空比来动态改变它，以保持压电器件的最大功率输出。结合全波整流桥，同步转换器可以从压电装置产生的交流电压中提取最大能量，因为它在远离其中性点的两个方向上偏转。

电感的选择是降压转换器正常工作的关键问题。通常，工程师可以从制造商的数据表中找到特定的推荐电感尺寸或尺寸范围。对于其LTC3632同步降压转换器，凌力尔特公司建议根据下面的公式1设置电感值，受公式2的约束。

 

 

可用的降压转换器，如Maxim Integrated MAX638，Linear Technology LTC3632，Linear Technology LTC3388和Texas Instruments TPS62120，提供了一种简单的解决方案，可将输入电压降至典型工作电压水平(图3)。

 

 

图3：可用的降压转换器需要很少的外部元件。除了电感器和电容器对之外，凌力尔特公司LTC3632等设备还使用一对电阻作为其反馈控制环路的一部分。 (由Linear Technology提供。)

除了典型的电容器和电感器外，这类降压转换器通常使用一对电阻器来降低输出电流，以便与片上电压基准进行比较 - 800 mV就LTC3632而言。对于LTC3632，如果VFB的电压大于参考电压，比较器将激活休眠模式，其中电源开关和电流比较器被禁用，从而将VIN电源电流降至仅12μA。

德州仪器(TI)TPS62120是一款用于能量采集应用的同步降压转换器，支持2至15 V的输入电压范围，同时提供高达75 mA的输出电流。与Linear LTC3632类似，TI TPS62120使用片上800 mV基准电压源切换到低功耗睡眠模式。为了在轻负载条件下保持高效率，TI转换器采用迟滞PFM/PWM控制器方案，器件在高负载时工作在PWM模式，并在轻负载时自动切换到PFM模式，其中VIN仅消耗10μA静态电流。除了保持不同负载的效率之外，使用这种PFM/PWM方案还允许使用陶瓷电容器，这种电容器具有低串联电阻并导致低输出电压纹波。

凌力尔特公司LTC3588-1专门设计用作压电能量采集电源，扩展了Linear LTC3388降压稳压器，具有专门的片上功能。 LTC3588-1集成了低损耗全波桥式整流器和降压转换器，可提供完整的压电能源，仅具有降压转换器所需的常用外部元件(图4)。

 

 

图4：线性LTC3588-1将全波桥式整流器与降压转换器相结合，提供完整的压电能量采集电源，只需少量外部电源组件。 (由Linear Technology提供。)

LTC3588-1能够在多个可选输出电压下提供高达100 mA的连续输出功率，具有静态电流欠压锁定(UVLO)模式和宽滞后窗口。在UVLO模式下，LTC3588-1仅消耗450 nA电流，允许电荷累积在输入电容上，直到降压转换器可以有效地将一部分存储电荷转移到输出。在调节方面，LTC3588-1进入950 nA低功耗状态，根据需要接通和关断降压转换器以维持稳压。

结论

降压转换器为具有高输入电压电平的专业能量收集应用提供了简单的解决方案。可用的降压转换器通常仅需要一对电容器和电感器来实现有效的DC/DC转换器。可用降压转换器的专用版本提供高度集成的解决方案，用于构建由压电设备供电的高效能量收集电路。