如何实现高电压变送器输出高能源采集

专用设备处理高电压能量收集

能量收集往往涉及权力清除细流从极低能量的环境来源。对于这些应用，设计人员集中于电路能够连转换最小可用电压电平到有用功率。与此相反，高能量源要求的一类电路能够有效地处理通过能量换能器产生的诸如太阳能电池板，热电发电机和压电器件的高电压电平。设计人员可以利用现有的设备从厂家包括凌特，NJR，安森美半导体，ROHM半导体，意法半导体和德州仪器，以及其他实施有效的高压能量收集系统。对于低能源的应用，高效的能源采集IC和模块，如高级线性器件EH4205，凌特LTC3108和德州仪器BQ25570旨在从生产有限的电压电平转换器低至20 mV的最多清除功率将6伏特左右。在这些系统的心脏，升压转换器把低电压高达有用的水平供电电路和超级电容器充电和电池。高能量的来源和它们各自的换能器产生的输出电压电平容易超过这些低压器件的最大输入范围。例如，太阳能电池板等菲尼克斯电气2885456模块生产近18 V输出。驱动下在工业应用和其它高能量环境中的高振幅振动，压电装置可以实现输出电平在几十伏。同样地，热电发生器可以产生类似的电压输出电平，当一个TEG的两侧之间存在足够大的温度差，虽然达到该温度差充其量是一个困难的任务。宽VIN转换器通常情况下，能量收集设计储存多余的电力收获超出了直接由负载使用。对于高能量源，设计者将使用降压转换器，以换能器的输出电压降压为适于供电电路和充电电池或其它能量储存装置的水平。对于这些应用，固有能量采集的波动决定的DC / DC转换器的宽VIN范围。例如，ROHM半导体BD9G341EFJ提供12 V的VIN范围为76 V和德州仪器LM5017提供从7.5 V至100 V延长对于要求较低的VIN范围应用的支持更广泛VIN范围，设计师可以转向降压/升压转换器，如NJR NJM2360或安森美半导体NCP3163，两者支持的VIN范围低至2.5 V，但延伸到40 V.专为需要最少的外部元件，这些器件集成了多个芯片的功能，通常目前提供与过压和欠压保护（图1）限制。

罗姆半导体BD9G341EFJ图1：宽VIN转换器，如制造商ROHM Semiconductor BD9G341EFJ提供额外的电源管理功能，如过压，欠压和电流限制保护。

（ROHM半导体提供）太阳能能量采集，尤其是通常需要动态的方法MPPT（最大功率点跟踪）;能量转换器产生的最大能量时，他们都保持在他们的功率曲线的MPP。在这种情况下，设计人员可以找到诸如凌力尔特LT8490和意法半导体SPV1020，其中包括专用芯片MPPT块提供先进的动态跟踪的方法找到MPP（图2）设备。配备的6 V至80伏的VIN范围，在Linear的LT8490内部MPPT算法席卷全板电压低至6 V，找到最大功率点。意法半导体SPV1020，它支持的VIN范围从6.5 V至40伏，提供了定期修改太阳能电池的工作电压和校正的操作点在芯片上“扰动＆观察”MPPT算法如果设备观察在相关联的增加从细胞输出。如果太阳能电池的输出降低时，该装置扰乱了工作电压在相反方向继续扰乱工作电压和观察功率的改变，直到找到新的MPP。

图意法半导体SPV1020图2：闪电能量采集设备，诸如意法半导体SPV1020包括内置旨在优化发电从环境来源，例如太阳能最大功率点跟踪（MPPT）算法。 （意法半导体提供）压电发电其他高能量的来源可能需要额外的电路元件，以达到最大的发电。压电装置可以产生正弦输出从一个悬臂压电装置的背面的往复挠曲产生。在运动的很宽的范围，这些设备可以生成大量的输出电压电平。例如，精量LDT0-028K 10mm的偏转可产生超过24伏和最大偏转可产生电压超过70V。虽然二极管可以用来简单地夹的压电器件的AC电压输出，专门电压输出控制器提供了一种更有效的方法。例如，凌力尔特LTC3588-2集成了一个低损耗全波桥式整流器，一个高效率降压转换器，带隙基准源的，需提供最少的外部组件的完整能量收集解决方案等功能（图3） 。

用18 V VIN设计，LTC3588-2包括使用输入保护分流设定为20V。在操作过程中的过电压保护，所采集的能量可以存储在输入电容器或输出电容器。尽管负载电流从名义上讲仅限于降压转换器可提供什么，工程师可以大小输出电容为需要支持更大的负载电流要求。

示意图凌力尔特LTC3588-2图3：设计能够从压电设备等的交流电压源的能量，凌力尔特LTC3588-2集成了实现一个完整的能量采集解决方案所需的全波桥式整流器和其它功能元件最少的外部元件。 （凌力尔特公司提供）这种类型的设备的其它变体提供对转换器的输出能量存储更广泛的支持。例如，线性LTC3330降压 - 升压型DC / DC支持从3.0V，VIN至19 V和作为与LTC3588-2，集成了一个全波桥式整流器，降压转换器，并支持一个完整能量所需的其他功能收获的解决方案。此外，LTC3330包括一个单独的降压 - 升压转换器设计为通过外部电池驱动。无论是能量收集降压变换器或电池降压 - 升压转换器可以提供能量到设备的输出引脚。如果能源的环境源发生故障，降压 - 升压转换器吸引了来自电池的电力;当有足够的能量收集可用的降压转换器工作，减少电流消耗的电池基本上是零。通过这种方法，设计人员可以利用高压太阳能能量采集，但保证了负载继续即使接收功率，当太阳源变淡。结论相反，产生的功率在低能量的环境资源，由高能源能量收集可以带来更多的挑战和更多的规定要求进行设计的功能和性能。对于这些应用，具有广泛的VIN范围，嵌入式MPPT算法或全波整流器专门的设备可以帮助简化设计，同时最大限度地提高能量转换。利用现有的专门芯片，工程师可以实现能够有效地将高电压变送器输出高能源能源采集设计。