从安全到工业控制，无线传感器正被部署在各种应用中，因为它们可以很容易地由电池供电。这是个好消息。坏消息是，这些电池必须定期更换在外地，这是一个昂贵和笨拙的维修项目。因此，更实用和有效的无线电源解决方案是从环境能源中获取能量，例如光、热差、压电器件、发送RF信号或通过换能器产生电能的任何其他源。
不幸的是，由这些能源产生的电力非常低，包括电压。更重要的是，它们是不稳定的(例如，晚上没有阳光，没有太阳能)。因此，为了充分利用它们，需要超低功率升压转换器，可以提供必要的升压转换，以产生来自各种能源的可用功率，以及调节升压输出电压。
为了将这些能源转化为有用的电源，诸如线性技术和德克萨斯仪器等制造商制造了超低功率升压DC/DC转换器，其能够产生足够的电压和功率来驱动无线传感器和发射器阵列。
能量收集解决方案
线性技术已经发布了广泛的超低功率升压转换器模块，用于将能量从压电和光伏源收集到热电发电机(TEGS)。它们包括升压型DC/DC转换器，如LTC3108/3109和LTC3105。此外，供应商还准备了一个完整的能量收集解决方案LTC3588—1，它被优化用于高输出阻抗能量源，例如压电换能器。
当LTC3108的升压拓扑从输入电压低至20 mV时，LTC3105的高效率升压结构被定制为从低至225 mV的输入电压工作。如下面的图1所示，SSOP或QFN封装的LTC3108提供了一个完整的电源管理解决方案，用于使用小型升压变压器进行无线传感和数据采集。升压转换器的主输出VOUT被编程为使用电压选择引脚VS1和VS2提供四个调节输出电压中的一个，来为发射机或传感器供电(表1)。
VS2 VS1 VOUT
GND GND 2.35 V
GND VAUX 3.3 V
沃恩 GND 4.1 V
沃 沃 5伏特
表1：LTC3108的调节输出电压使用选择引脚VS1和VS2。
线性LTC3108图
图1：线性的LTC3108使用一个紧凑的升压变压器提供一个完整的无线传感和数据采集应用的电源管理解决方案。
此外，LTC3108还提供低电流、低压差(LDO)线性稳压器，以提供一个调节2.2伏直流输出来为低功耗处理器或其他低功耗IC供电。升压转换器的电源良好指示器信号指示主输出电压在调节范围内，并且当输入电压源不可用时，存储电容器提供功率。极低的静态电流和高效率的设计确保了输出电容器的最快的充电时间。
升压变压器匝数比将决定转换器的输入电压有多低。使用1:100的比例可以产生低至20 mV的启动电压。影响性能的其他因素是变压器绕组的直流电阻和绕组的电感。直流电阻越高，效率越低。事实上，产品数据表提供了选择外部无源元件来完成使用LTC3108的升压DC/DC电源解决方案的指南。
类似地，LTC3105工作在非常宽的225 mV至5 V的输入范围内，使得它适合于从高阻抗的替代电源获得能量，包括光伏电池、热电发电机(TEGS)和燃料电池。升压转换器的内部400毫安同步开关最大限度地提高效率，而其突发模式操作提供静态电流只有24μA，从而优化转换器效率在所有操作条件。此外，用户可编程最大功率点控制器(MPPC)设定点最大化可从任何电源提取的能量(图2)。
线性技术DC/DC变换器LTC3105示意图
图2：升压式DC /DC转换器LTC3105的集成最大功率点控制器(MPPC)使来自低电压、高阻抗电源如光伏电池、热电发电机(TEGS)和燃料电池的操作成为可能。
针对无线传感器和数据采集应用，LTC3105为外部微控制器和传感器提供辅助的6毫安2.2 VDC LDO，同时主输出电压正在充电。一旦完全充电，主输出可以提供高达5.25毫伏直流电压高达100毫安输出电流。该产品数据表表明，即使输入电压大于或等于输出电压，LTC3105也可以调节输出电压，从而提供进一步的设计灵活性。在关断模式下，静态电流进一步下降到10μA。
对于那些喜欢一个完整的，优化的能量收集解决方案，为高输出阻抗能源，如压电换能器，线性技术提供LTC3588 -1，它集成了低损耗全波桥式整流器与高效率降压转换器芯片(图3)。根据供货商，具有宽滞后窗口的超低静态电流欠压锁定(UVLO)模式允许电荷累积在输入电容器上，直到降压转换器能够有效地将存储电荷的一部分传送到输出。在调节模式下，LTC3588—1进入休眠状态，其中输入和输出静态电流都是最小的。Buck变换器根据需要进行开和关以维持调节。此外，能量采集电源的四个直流输出电压，1.8伏，2.5伏，3.3伏，和3.6伏，是可选择的高达100毫安的连续输出电流引脚。
线性LTC3588—1图
图3：线性的LTC3588 1集成了低损耗全波桥式整流器与高效率降压转换器，形成一个完整的能量收集解决方案，为高输出阻抗能源，如压电换能器。
提升低功耗
另一个供应商，在这个舞台上，德克萨斯仪器，提供其BQ25504升压转换器专门设计，以有效地获取和管理μW至兆瓦的功率产生的各种直流电源，如太阳能电池或TEGS。为无线传感器网络等系统设计，BQ25504仅需要微瓦功率才能开始工作。一旦启动，升压转换器/充电器可以有效地从低压输出收割机(如TEG或单电池/双电池太阳能电池板)中提取功率。数据表表明，升压转换器可以开始与输入电压VIN低至330毫伏。一旦开始，它可以继续从DC源收集能量降到80毫伏。为了将功率最佳地转移到设备中，BQ25504实现了可编程最大功率点跟踪采样网络。采样开路电压(ViNiDC)使用外部电阻器编程，并与外部电容器CREF保持，如图4所示。
TI超低功耗BQ2550Boost变换器的原理图
图4：使用TI的超低功率升压转换器BQ25504从太阳能电池典型的能量收集电路。
本质上，BQ25504是一种具有超低静态电流要求的高效同步升压转换器/充电器。它的开关调节器结构使效率最大化，同时最小化启动和操作功率。此外，它使用脉冲频率调制(PFM)技术来保持效率，即使在轻负载条件下。此外，BQ25504还实现电池保护特性，使得可充电电池或电容器可以用作储能元件。
总之，像线性技术和德克萨斯仪器这样的供应商已经开发了超低功率Boost转换器，有助于创造能量收集解决方案来驱动各种各样的无线传感器部署在从工厂自动化到数据收集FR的应用中。远程站点。有关本文讨论的产品的更多信息，请使用所提供的链接访问凯利讯半导体网站上的产品页面。