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紧凑型太阳能电池板利用创新性能量收集技术

发布时间:2021-11-24 人气:

本文摘要:背景信息我们周围四处都是能量,它们以热、光、电流甚至机电能的形式不存在。不过,人们经常找到,这些能源获取的能量过于较少了,无法为任何实际用途倒数获取充裕的功率。实质上,直到不久前,除了太阳能和地热能,仍然无法从其他形式的能源中取得充裕的能量来继续执行任何简单的功能。 能量搜集就是指一种或多种这类大自然不存在的能源搜集微量能量、然后再行把搜集到的能量积累或存储一起以待之后用于的过程。

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背景信息我们周围四处都是能量,它们以热、光、电流甚至机电能的形式不存在。不过,人们经常找到,这些能源获取的能量过于较少了,无法为任何实际用途倒数获取充裕的功率。实质上,直到不久前,除了太阳能和地热能,仍然无法从其他形式的能源中取得充裕的能量来继续执行任何简单的功能。

能量搜集就是指一种或多种这类大自然不存在的能源搜集微量能量、然后再行把搜集到的能量积累或存储一起以待之后用于的过程。能量搜集设备可以高效取得、积累、存储、调节和管理环境能量,而且所用调节方式合适将这类能量用作继续执行简单的功能。最近的技术变革早已提升了设备从自然环境中取得微量能量并将其转换成电能的效率。

此外,转换器技术的变革不仅提升了电源切换效率,还减少了转换器的内部功耗市场需求。这些变革早已激发起工程界的兴趣,促成他们研发更加多利用能量搜集技术的应用于。

从部署了远程应用于且大自然能源彻底不有可能消耗的环境中搜集能量,日益沦为一种引人注意以替代有线电源或电池的供电方式。大自然能源从本质上来说是免费能源,如果获得合理利用,可以需要确保,且一般来说在很多应用于的工作寿命中一直能用。另外,能量搜集可以用于辅助能源以补足如电池等主电源,这很大地缩短了电池寿命,从而减少维护费用。能量搜集应用于现在有很多应用于将能量搜集电源作为主电源用于。

例如,无线传感器网络(WSN)经常获益于能量搜集电源。如果一个无线节点部署在偏僻地点,有线电源或电池或者过于可信或者不能用,那么就能用搜集的能量获取节点运营所须要功率。在其他一些情况下,多种能源能用来提升等价系统的总体效率和可靠性。

一些较少见的可搜集能量还包括:·机械能–来自振动、机械压力和应变力·热能–炉子、加热器、马达和摩擦运动等浪费的能量·光能–通过光电二极管或太阳能电池从太阳光或室内灯光中取得的能量·电磁能–来自电感器、线圈和变压器·自然环境中的能量–来自风、水流、洋流、电流和太阳·人体能量–通过运动等产生的机械能和热能·其他能量–来自化学和生物源必须提及的最重要一点是,所有这些能源完全都不受限制,且本质上是免费的,只要在系统部署方位或附近系统部署方位需要取得就讫。典型的能量搜集系统必须诸如振动、热量或光等能源以及一些关键电子组件,还包括:·能量切换设备(换能器),例如压电组件或太阳能电池板,可将环境能源转换成电能·能量搜集切换IC以取得、存储和管理电能·传感器、微控制器和收发器,作为WSN的组成部分以加载、记录和传送数据·附加的补充性能量存储设备,例如薄膜型主电池或超级电容器很最重要的一点是,电源切换设备必须有很高的效率和很低的静态电流,这样大部分搜集的能量才能用作给传感器网络或控制电路供电,或者用来监控设备。此外,必需理解可搜集能源需要获取多大的平均功率,以及给特定设备供电必须多少能量(工作频率)。

能量搜集IC解决方案幸运地的是,为了处置、存储和用于搜集的能量,凌力尔特获取了几款能量搜集器件。LTC3106是其中之一,这是一款高集成度、超低电压升压-降压型DC/DC转换器,不具备为多种输出能源和较低功率系统而优化的自动电源通路(PowerPath)管理功能。如果主电源不能用,那么LTC3106就无缝地转换到备份电源,且与可再行充电电池或主电池相容,无论何时,只要有剩下能量能用,就可以给备份电池涓流电池。如果用于的输出能源是光源,那么可选仅次于功率点掌控功能保证在电源和阻抗之间的功率传输是优化的。

在无阻抗时,LTC3106仅有消耗1.6μA电流,同时从任何输出能源产生高达5V的输入电压。图1表明了一个典型的原理图。  图1:LTC3106使用太阳能电池板或主电池为下游阻抗倒数供电LTC3106使用电源通路(PowerPath?)掌控架构,容许用于单个电感器,通过在两个电源输出之间无缝切换,产生用户附加和相同的平稳输入电压。

如果输出电源(VIN)能用,升压-降压型稳压器就用VIN工作,向阻抗获取高达300mA的电流。如果VIN不能用,那么稳压器就自由选择将VSTORE/VCAP作为其输出,向阻抗获取高达50mA的电流。

如果用可再行充电电池作为备份电源,那么还获取小电流再行电池电源通路,从而容许在输入电压正处于稳定状态时,用多余的输出能量给备份电源电池。用户附加的较高和较低电池/静电门限限于于多种电池化学构成,可针对过度电池/深度静电维护电池。当主电池用于备份电源时,电池可以从外部用PRI禁令在没备份电源时,主输出电压VIN可配备为在850mV至5.1V电压范围内工作,有备份电源时(例如主电池)则配备为在330mV至5.1V范围内工作。这样的范围合适多种类型的电源,还包括低电阻电源(例如小型太阳能电池板)。

为了保证取得仅次于功率,LTC3106构建了一个精确的RUN插槽和附加仅次于功率点函数。二者均可用来掌控稳压器接上点,使其坐落于输出电源的仅次于功率点上。对于较高功率的输出电源而言,精确的RUN插槽函数非常适合用来将可预测的稳压器接上点原作到特定输出电压上。

万一由可搜集能量获取的输出电压消失了,那么主电池或辅助电池可从VSTORE相连至GND,以给系统供电。在电池是可再行电池的情况下,将从这个插槽取得给电池涓流电池的电流,以后超过最低可选电压。LTC3106能用两个输出电压源之一启动,但给VIN优先级。

AUX输入最初是在实时整流器被禁令的情况下电池的。一旦VAUX超过最后电压,输入电压也开始异步电池,以后VOUT超过大约1.2V。

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然后,转换器解散异步模式,以反对更加高效的实时启动模式,以后VOUT正处于稳定状态,器件转入长时间工作模式为止。VAUX电池时输入电压下降是长时间的。

主输入电压是用户原作的,可原作为1.8V、2.2V、3.3V或5V这4个预置平稳电压之一。设计实例在仅有由电池供电的传统型无线网络节点中,主控制单元(MCU)必要相连到电池。在这类应用于中,有几种因素造成电池容量增大。一般而言,这类无线系统以非常低的频率轮询节点,待用周期功率非常低,有时候必须与该节点通信时,不会有一些大电流脑溢血。

有脉冲阻抗时,峰值电流有可能相比之下小于电池制造商得出的标称溢电流,从而使电池容量增大到远超过在典型静态溢电流情况下所规定的值。此外,就大多数MCU(典型最小值为2V)而言,能用输出电压容许了能用电池容量。图2右图应用于电路表明了与AM-1816太阳能电池板相连的LTC3106,其总体尺寸为9.8cmx5.7cm(胸卡大小),CR2032主电池起补足起到,该应用于电路配备为向脉冲阻抗输入供电。

尽管能量搜集系统有可能需要电池,但是他可以起着补足起到,而且电池寿命可以获得缩短。当有充裕的环境能源能用时,就不给电池读取,仅当环境能源足以造就阻抗时,才用于电池。

这不仅缩短了电池寿命,也通过缩短电池寿命提升了可靠性,同时还减少了确保成本。图2:配备为太阳能收集器、具主电池备份电源、给无线网络节点供电的LTC3106LTC3106的主输出电压(VIN)在很长的电压范围内符合低电阻太阳能电池市场需求。

太阳能电池按照其输出功率、所用材料(晶体硅、无定形硅、化合物半导体等)和应用环境(室内或室外灯光)分类。三洋电机的Amorton产品线(松下一个子公司的产品)获取了多种太阳能电池,以符合各种灯光条件(参看表格1,理解典型灯光条件)、功率大小以及针对特定应用于的尺寸和形状自定义电池的拒绝。表格1:典型灯光条件表格2所列了合适与LTC3106一起用于的其他小型太阳能电池(也称作模块或太阳能电池板)之生产公司。

表格2:与LTC3106相容的光伏板制造商AM-1816板的I-V和P-V曲线如图3右图。电池的仅次于功率(PMAX)随光照强度变化而转变,但是PMAX点上的电压仅有严重变化。

在这个应用于实例中,VIN门限电压用RUN插槽上的电阻分压器原作为相等PMAX点上的电压。输出电压下降的UVLO门限VIN(OV)原作点指定为4.2V。由于内部延缓,那么VIN(UV)为3.8V,因此从制造商获取有关AM-1816太阳能电池的I-V和P-V数据看,仅次于功率点上的平均值VIN电压大约为4V。

图3:在星型光照情况下测出的AM-1816之I-V和P-V曲线就这个应用于而言,阻抗是较低功率RF设备,其阻抗曲线如图4右图。工作区、输入和功耗如表格3右图,表中还所列了每个所确认的峰值电流。图4:图2原理图的应用于阻抗曲线表格3:图2原理图的应用于阻抗曲线功率支出上述阻抗曲线的LTC3106总平均值功耗为37μW。

电阻器分压器阻抗额外减少了5μW输出功耗,总的输出功率市场需求为207μW。计算出来得出结论的平均值效率(还包括电阻分压器在内)η=165μW/207μW=80%。200照度时AM-1816的能用功率大约为400μW。凭借大约为80%的转换器效率,这400μW给总共207μW的平均值阻抗供电并有一定的裕度,需要从电池汲取电流。

如果光照条件显得不那么不利,那么能用输出功率或许降到高于维持输入电压所需的值。这时,LTC3106不会以“打嗝”模式工作,在VIN升到低于4.2V时接上,降到高于3.8V时插入。当VIN插入时,就用VSTORE(主电池)供电,以后VIN完全恢复并升到低于4.2V门限为止。

如果光照条件显得更为不利,VIN不会升到能量搜集电源的开路电压,并再度获取所有阻抗功率。结论即使有些能量搜集电源仅有获取很低的能用功率(如本文右图胸卡大小的太阳能电池设计实例),但是他们不足以给大多数无线传感器供电。LTC3106升压-降压型DC/DC转换器为较低功率系统中少见的多种输出电源而优化,为多种能量搜集应用于获取适当的功能。

因此,诸如WSN等能量搜集系统设计师现在有了简单和合理的电源切换IC,可很大地修改设计任务了。


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