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有关微型能源采集技术的关键应用问题及解决方案

作者:时间:2012-07-31来源:网络收藏

另外,也可以考虑使用一个以上的电源转换器。图3所示的同步整流器电路虽不能提供稳定的电源,但它是对向另一个效率更高的电源转换器的定期发送高功率脉冲的电容,进行充电的良好解决。这个效率更高的转换器负责处理应用电路所需的信号调节。

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图 3:同步整流器电路。

在一些应用中,另一种栅极电荷操作(即使用电压源栅极电荷电路)可大大提高效率。这种方法可将电路中的几个晶体管从小到大进行排列(如图4所示)。

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图4:晶体管宽度转换带来的效率优势。

伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的电路也可以自动检测功耗,并同时可采用适当尺寸和数量的晶体管来保持高效率。较高值的晶体管可在高功率情况下使用,当系统以待机功率水平运行时,可采用较小的晶体管。图4显示了这种比不按晶体管尺寸进行优化的更具有优势。

在实施上述方案时应记住,设计最高效的转换器可产生最多能量的传统功率转换方式并不总是适用于微型能量采集。应将对整个系统的能量输出进行优化作为追求的目标。有时,这意味着设计方案并不以系统各部分均达到最高效率为目标。

对IC的判定选择

设计人员必须清楚其选择 IC 技术的含义。至少在潜意识中,每个人都意识到高级技术节点能生产出更高效率的半导体器件。在常规电路设计中,常常会忽视这种差别,因为亚微米器件的成本优势被认为超过其效率所带来的优势。微型能量采集应用改变了这个规则。

比如,对于早期能量采集应用,伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的小型电源转换器通过采用1.5μm工艺和8μm电感器构建的IC可实现53%的效率。在考虑如何改进转换器时,对于采用不同工艺技术和电感器尺寸的各种组合可能达到的不同效率,设计小组进行了计算。

图5显示了计算结果。根据计算,最先进的技术组合(采用铜互连技术的0.25μm工艺技术与25μm感应器)可实现81%的效率。此外,图5也显示了在哪些地方可避免损耗。

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图 5:采用高级 IC工艺技术可显著提升效率。

应用的其他部分也需要采用高级工艺技术的IC,包括MCU。TI的超低功耗MSP430 MCU平台就是一个很好的例子,该MCU在工作状态的功耗仅为160uA/MHz,在待机状态的功耗还不到500nA。此外,TI提供的器件还可在紧凑的单芯片设计中,将TI超低功耗MCU与高度灵活的射频 (RF)收发器结合在一起,以实施无需线缆或电池即能检测并报告工厂、汽车、办公室、家庭以及其他环境中紧急情况的环境感知智能。例如,AdaptivEnergy的免电池Joule-Thief技术与完美结合的TI MSP430微处理器、RF以及eZ430-RF2500开发套件,可实现多领域环境智能。图 6 给出了 Joule-Thief 系统方框图。

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图 6:Joule-Thief技术的系统方框图。

实现微观层面的能量采集以及最大程度的节能,为工程师提供了新的发展空间,同时也提出了许多严峻挑战。战胜这些挑战将带来诸多益处,包括可进一步开发“永续”电子设备、降低系统生命周期成本、减少产品的环境影响等。令人振奋的是,现在工具已准备就绪,可随时启动开发工作。

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关键词: 能源采集 方案

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