能源採集的低功率轉換

我們周遭有豐富的環境能源，傳統的能源採集方式係透過太陽能板和風力發電機。 不過，新的採集工具能讓我們從多種環境能源產生電力。 此外，重要的並非電路的能源轉換效率，而是有多少足以為電路供電的「平均採集」能源量。 舉例而言，熱電發電機會將熱能轉換為電力、壓電元件會轉換機械震動、光電會轉換日光（或任何光子來源），流電法 (galvanism) 則可從濕氣中轉換能量。 因此可為遠端感測器供電，或為電容或薄膜電池等儲存裝置充電，讓微處理器或發射器能在遠端受電而無需本機電源。

除此之外，在「低階」功率範圍中，無線感測器網路 (WSN) 和感測器的奈瓦功率轉換越來越常見，能處理超低電源和電流位準的功率轉換 IC 需求亦隨著增加。 兩者通常分別需要數十微瓦和奈安培的電流。 不過，包含電池充電器在內，此類以低於 1 µA 電流作業的功率轉換產品非常有限。

一般而言，要列入這些應用所需的 IC 效能特性如下：

• 低待機靜態電流：一般低於 6 µA，且最低至 450 nA
• 低啟動電壓：最低至 20 mV
• 高輸入電壓能力：高達 34 V（連續）和 40 V（暫態）
• 具備 AC 輸入處理能力
• 多重輸出能力和自主式系統電源管理
• 最大功率點控制 (MPPC)，適用於太陽能輸入
• 小型解決方案覆蓋區，含極少外接元件

WSN 基本上是自足的系統，包含某種傳感器，能將環境能源轉換為電氣訊號，通常會置於 DC/DC 轉換器及管理器之後，為下游電子元件供應正確的電壓位準和電流。 下游電子元件包含一個微控制器、一個感測器以及一個收發器。

嘗試實作 WSN 時必須考量的一個問題：需要多少電力才能操作？ 這個問題的答案在概念上很明確，但在現實中必須考量眾多因素，因此稍微有點難度。 例如，多常進行讀取？ 或者更重要的是，數據封包多大？需要多少功率進行傳輸？ 要考量這些是因為收發器耗用的能量，大約是系統用於單一感測器讀取和傳輸時的 50% 能量。 許多因素會影響能源採集系統或 WSN 的功耗特性，全都必須納入考量。

當然，能源採集來源提供的能源會依據此來源的持久度而定。 因此，比較有效來源的首要指標便是功率密度，而非能量密度。 能源採集一般會受到低量、可變且無法預測的可用能量位準所限制，因此常使用混合式架構，介接採集器與二次儲能槽。 採集器具有無限能量供應並缺乏電力，因此是系統的能量來源。 二次儲能槽可以是電池或電容，能提供更高輸出功率，但儲存較少能量。有需求時會供應電力，其他時間則會從採集器定期接收電荷。 因此，沒有環境能源可採集電力時，就必須使用二次儲能槽為 WSN 供電。 當然，從系統設計者的角度而言，必須考量備用儲能槽需儲存多少能量，才可補償沒有環境能源時的短少能量，因此會額外增加複雜性。

很明顯地，若可行，WSN 必須能使用超低功率位準。 也就是說，系統所用的元件必須能夠處理這些低功率位準。 這個要求已經可透過收發器和微控制器達成，但在功率轉換和電池充電側則無此能力。 不過 Linear Technology 特別針對這些要求開發了 LTC3388-1/-3 和 LTC4071。

LTC3388-1/-3 是可接受 20 V 輸入的同步降壓轉換器，可供應高達 50 mA 的連續輸出電流，採用 3 mm x 3 mm（或 MSOP10-E）封裝，如圖 1 所示。 此元件採用 2.7 V 至 20 V 輸入電壓操作，因此非常適合多種能源採集和電池供電應用，包含「持續運作 (keep-alive)」的感測器和工業控制電源。

圖 1：LTC3388-1/-3 典型應用線路圖

LTC3388-1/-3 採用磁滯同步整流，可在寬廣的負載電流範圍內達到最佳效率。 此元件能為 15 μA 至 50 mA 的負載達到高達 90% 的效率，且僅需 400 nA 的靜態電流，因此在用於輔助電源時，能提供延伸的電池續航力。

LT3388-1/-3 具有準確的欠壓鎖定 (ULVO) 功能，在輸入電壓降至低於 2.3 V 時會停用轉換器，將靜態電流降低至僅有 400 nA。 一旦進入調節狀態（空載時），LTC3388-1/-3 會進入睡眠模式，將靜態電流降至僅有 720 nA。 降壓轉換器接著會隨需求開啟或關閉，以便維持輸出調節。 有一個額外的待機模式會在輸出位於調節狀態下停用切換功能，以便因應短時間負載，例如有低漣波需求的無線數據機。 此高效率、低靜態電流的設計非常適合能源採集，此類應用需要長充電週期與短突發負載，以便為感測器和無線數據機供電。

在 WSN 中，通常會使用電池做為輔助備用電源，不過，如何透過低功率能源進行充電則是不小的設計挑戰。 Linear 的 LTC4071 是分流器電池充電器系統，包含整合式電池組保護和低電池電量斷開功能，可保護低電量電池，以免因自我放電而受損。 這是簡單卻精密的充電器暨保護器，適用於鋰離子／聚合物電池。 具有 550 nA 的超低操作電流，因此能透過以往無法利用的超低電流、間歇性或持續充電的能源（如能源採集應用所供應的能量）進行充電。 內部熱電池調節器會降低浮動電壓，以便在電池溫度上生時保護鋰離子／聚合物電池、鈕釦型電池或薄膜電池。 LTC4071 採用薄型 8 引線 2 mm x 3 mm DFN 封裝，僅需在輸入電壓串聯單一外接電阻，即可提供完整且超小型的充電器解決方案。

雖然可攜式應用和能源採集系統正確運作所需的功率位準範圍極為寬廣（從 mW 到 1 W 以上），但目前有許多功率轉換 IC 可供系統設計人員選擇， 但這都屬於低階的功率範圍，需求的位準都落在奈瓦功率等級，因此選擇有限。

幸好，還是有可用的功率轉換和電池充電解決方案，能讓設計人員選擇，選項涵蓋低於微安培的靜態電流至延長的電池續航力，因此可在低功率感測器和新一代 WSN 中達到持續運作電路。