如何实现高效的高压能量采集系统设计

能量收集通常涉及从非常低能量的环境源中清除能量涓流。对于这些应用，设计人员专注于能够将最小可用电压电平转换为有用功率的电路。相比之下，高能源需要一类能够有效处理由诸如太阳能电池板，热电发电机和压电装置等能量转换器产生的高电压电平的电路。设计人员可以使用包括凌力尔特，NJR，安森美半导体，ROHM半导体，意法半导体和德州仪器等制造商在内的可用设备实施高效的高压能量采集系统。

对于低能耗应用，高效能源 - 收集IC和模块，如Advanced Linear Devices EH4205，Linear Technology LTC3108和Texas Instruments BQ25570，旨在清除传感器的功率，从而产生低至20 mV的有限电压，最高可达6 V左右。在这些系统的核心，升压转换器可为电路供电和为超级电容器和电池充电提供低电压。

高能源及其各自的传感器可产生的输出电压水平容易超过这些电压的最大输入范围。低压设备。例如，Phoenix Contact 2885456模块等太阳能电池板可产生近18 V的输出电压。在工业应用和其他高能环境中受到高振幅振动的驱动，压电器件可以达到几十伏的输出电平。类似地，当TEG的两侧之间存在足够大的温差时，热电发电机可以产生类似的电压输出水平，尽管实现该温差可能是最困难的任务。

Wide-VIN转换器

能量收集设计存储超出负载直接使用的超额收集功率。对于高能源，设计人员将使用降压转换器将传感器输出电压降低到适合为电路供电和为电池或其他能量存储设备充电的水平。

对于这些应用，能量收集中固有的波动决定DC具有宽VIN范围的/DC转换器。例如，ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供12 V至76 V的VIN范围，而Texas Instruments LM5017具有更宽的VIN范围，范围从7.5 V至100 V.

对于需要支持较低VIN限制的应用，设计人员可以转向降压/升压转换器，如NJR NJM2360或安森美半导体NCP3163，两者都支持VIN范围低至2.5 V但扩展至40 V.这些器件需要最少的外部元件，可集成多个片内功能，通常提供电流限制以及过压和欠压保护（图1）。

图1：宽VIN转换器，如ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供额外的电源管理功能，如过压，欠压和限流保护。 （由ROHM半导体公司提供）

太阳能采集尤其通常需要动态MPPT方法（最大功率点跟踪）;能量传感器在它们的功率曲线上保持在MPP时产生最大能量。在这些情况下，设计人员可以找到Linear Technology LT8490和STMicroelectronics SPV1020等设备，其中包括专用的片上MPPT模块，可提供用于查找MPP的复杂动态跟踪方法（图2）。凌力尔特LT8490的内部MPPT算法具有6 V至80 V的VIN范围，可扫描低至6 V的全面板电压，以找到最大功率点。

STMicroelectronics SPV1020支持6.5 V至V V的VIN 40 V，提供片上“Perturb＆amp; amp;观察“MPPT算法，该算法定期修改太阳能电池的工作电压，并在器件观察到电池输出相关增加时校正工作点。如果太阳能电池输出降低，则设备会在相反方向扰动工作电压 - 继续扰动工作电压并观察功率变化，直到找到新的MPP。

图2：STMicroelectronics SPV1020等专用能量收集设备包括内置的最大功率点跟踪（MPPT）算法，旨在优化太阳能等环境光源的发电。 （由STMicroelectronics提供）

压电电源

其他高能电源可能需要额外的电路元件才能实现最大功率发电。压电装置可以产生由悬臂式压电装置的前后弯曲产生的正弦输出。在宽范围的运动中，这些器件可以产生相当大的输出电压电平。例如，Measurement Specialties LDT0-028K的10 mm偏转可产生超过24 V的电压输出，最大偏转可产生超过70 V的电压。

尽管二极管可用于简单地夹住压电的交流电压输出设备，专用控制器提供更有效的方法。例如，凌力尔特公司的LTC3588-2集成了低损耗全波桥式整流器，高效率降压转换器，带隙基准和其他功能，可提供完整的能量收集解决方案，并且外部元件极少（图3） 。 LTC3588-2采用18 V VIN设计，包括使用20 V输入保护分流器组件的过压保护。在运行期间，收集的能量可以存储在输入电容器或输出电容器上。虽然负载电流名义上仅限于降压转换器可以提供的电流，但工程师可以根据需要调整输出电容的大小，以支持更大的负载电流要求。

图3：设计用于从压电电路中提取能量凌力尔特公司的LTC3588-2器件和其他交流电压源集成了全波桥式整流器和实现完整能量收集解决方案所需的其他功能元件，并且外部元件极少。 （由Linear Technology提供）

此类设备的其他变体为转换器输出上的能量存储提供了更广泛的支持。例如，Linear LTC3330降压 - 升压型DC/DC支持3.0 V至19 V的VIN，与LTC3588-2一样，集成了全波桥式整流器，降压转换器以及支持完整能量所需的其他功能 - 此外，LTC3330还包括一个独立的降压 - 升压转换器，设计用于由外部电池驱动。能量收集降压转换器或电池降压 - 升压转换器可以为器件的输出引脚提供能量。如果环境能量源失效，则降压 - 升压转换器从电池获取电力;当足够的收集能量变得可用时，降压转换器工作，将电池上的电流消耗基本上减少到零。通过这种方法，设计人员可以利用高压太阳能收集，但即使太阳能源衰退，也能确保负载持续接收功率。

结论

与低能量环境源发电相比，从高能源获取能量可能带来额外的挑战，并对设计功能和性能提出额外要求。对于这些应用，具有宽VIN范围的专用器件，嵌入式MPPT算法或全波整流器可以帮助简化设计，同时最大化能量转换。使用可用的专用IC，工程师可以实现能够有效转换高能量源的高压传感器输出的能量收集设计。