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电源低功率设计——多低才算低?

导读: 便携式电源应用多种多样,应用领域十分广泛。产品从平均功耗在微瓦量级的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦-时电池组的推车式医疗或数据采集系统应有尽有。

  背景信息

  便携式电源应用多种多样,应用领域十分广泛。产品从平均功耗在微瓦量级的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦-时电池组的推车式医疗或数据采集系统应有尽有。不过,尽管应用多种多样,仍然能够总结出几种趋势:设计师继续要求产品提供更大的功率,以支持越来越多的功能;用任何可用电源给电池充电。第一种趋势要求增大电池容量。不幸的是,用户常常不够耐心,不能容忍充电时间太长,所以容量增大的同时,充电时间必须仍然保持合理,这就导致充电电流增大。第二种趋势要求电池充电解决方案具有极大的灵活性。本文将详尽地探讨这些问题。

  看一下新式手持式设备,面向消费者的设备和工业设备都有可能包含蜂窝手机调制解调器、Wi-Fi 模块、蓝牙模块、大型背光照明显示器等等。很多手持式设备的电源架构与蜂窝手机类似。一般情况下,3.7V 锂离子电池用作主电源,因为这类电池的单位重量 (Wh/kg) 和单位体积 (Wh/m3) 能量密度很大。过去,很多高功率设备采用 7.4V 锂离子电池以降低电流要求,但是随着低价 5V 电源管理 IC 的上市,越来越多的手持式设备采用了更低电压架构。平板电脑很好地说明了这一点。一个典型的平板电脑具有很多功能,同时采用非常大 (就便携式设备而言) 的显示屏。用 3.7V 电池供电时,容量必须达到数千毫安-时,例如 2200mAh。为了在数小时内完成这种电池的充电,需要数千毫安充电电流。

  然而,充电电流这么大的同时,如果大电流交流适配器不可用,消费者还可能要求用 USB 端口给大功率设备充电。为了满足这些要求,在交流适配器可用时,电池充电器必须能够以大电流 (>2A) 充电,但是仍然能够高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外,产品需要保护敏感的下游低压组件,使其避免过压事件导致的损坏,并将大电流从 USB 输入、交流适配器或电池无缝地引导到负载,同时最大限度地降低功耗。这就为电池 IC 制造商带来了极好的机会,他们可以开发安全管理电池充电算法、监视关键系统参数的 IC。

  在电源应用领域的另一端,是能量收集系统的毫微功率转换要求,例如 WSN 中常见的能量收集系统,这类系统必须使用电源转换 IC,以处理非常低的功率和电流,可能分别为数十微瓦和数十纳安。

  能量收集 WSN

  我们周围有大量环境能源,传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过,新的收集工具允许我们用种类繁多的环境能源产生电能。此外,重要的不是电路的能量转换效率,而较重要的是用来供电之“平均收集得到的”能量。例如,热电发生器将热量转换成电力,压电组件转换机械振动,光伏组件转换太阳光 (或任何光源),通过化学作用产生电流的组件将潮气转换成电能。这样就有可能给远程传感器供电,或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电,以便微处理器或发送器能够无需本地电源而接受远程供电。

  一般而言,能进入并用于非传统能源市场的 IC 所必需的性能和特性包括以下各项:

  § 低备用静态电流,典型值低于 6μA,可低至 450nA

  § 低启动电压,低至 20mV

  § 接受高输入电压的能力,高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压

  § 能够处理 AC 输入

  § 多输出能力和自主系统电源管理

  § 自动极性运行

  § 针对太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)

  § 能够从低至 1°C 的温度变化中收集能量

  § 需要最少的外部组件,解决方案占板面积紧凑

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