能量收集从满足电源管理需求开始

LTC3105是一款超低电压升压型转换器和LDO，专门用来极大地简化从低压、高阻抗可替换电源收集和管理能量的任务，如光伏电池、热电发生器（TEG）、燃料电池等电源。其同步升压型设计以低至250mV的输入电压启动，从而使该器件非常适用于在不够理想的照明条件下，从甚至最小的光伏电池收集能量。其0.2V至5V的宽输入电压范围使该器件成为多种应用的理想选择。集成的最大功率点控制器（MPPC）使LTC3105能抽取电源能所提供的最大可用功率。如果没有MPPC，电源能产生的功率仅为理论最大值的一小部分。峰值电流限制自动调节，以最大限度地提高电源转换效率，同时突发模式（Burst Mode）工作将静态电流降至仅为22μA，从而最大限度地降低了能量储存元件的漏电流。超低IQLDO 能直接给流行的低功率微控制器或传感器电路供电。如果没有MPPC，电源转换器能产生的功率仅为理论最大值的一小部分。峰值电流限制自动调节，以最大限度地提高电源转换效率，同时突发模式（Burst Mode）工作将静态电流减小至仅为22μA，从而最大限度地降低了能量储存元件的漏电流。超低IQLDO能直接给常用的低功率微控制器或传感器电路供电。

图4 所示电路采用了LTC3105，用单节光伏电池给单节锂离子电池充电。在太阳能能源可用时，该电路能使电池连续充电，而当太阳能能源不再可用时，电池能用储存的能量给应用供电。

图4 ：利用单节光伏电池的锂离子电池涓流充电器。

LTC3105能以低至250mV的电压启动。在启动时，AUX输出最初在同步整流器禁止的情况下充电。一旦VAUX达到约1.4V，该转换器就离开启动模式，进入正常工作状态。最大功率点控制在启动时不使能，不过，电流从内部限制到足够低的水平，以允许靠电流非常小的输入电源启动。尽管该转换器处于启动模式，但是AUX 和VOUT 之间的内部开关仍然保持禁止，而且LDO也是不采用。参见图5 所示典型启动时序举例。

图5 ：典型的LTC3105启动时序。

当VIN或VAUX高于1.4V 时，转换器进入正常工作状态。转换器继续给AUX输出充电，直到LDO输出进入稳定状态为止。一旦LDO输出进入稳定状态，转换器就开始给VOUT 引脚充电。VAUX 仍然保持足够高的值，以确保LDO 处于稳定状态。如果VAUX 高于保持LDO稳定所需的值，那么就从给AUX输出充电转变为给VOUT 输出充电。如果VAUX 下降太多，那么电流就重新流向AUX 输出，而不是用来给VOUT 输出充电。一旦VOUT 上升到高于VAUX，就启动一个内部开关，以将这两个输出连接到一起。

如果VIN高于被驱动的输出（VOUT 或VAUX）上的电压，或被驱动的输出低于1.2V，那么同步整流器就禁止，并以关键的传导模式工作，从而甚至在VIN>VOUT 时，仍能实现稳定状态。

如果输出电压高于输入电压并高于1.2V 时，那么同步整流器就启动。在这种模式时，SW和GND之间的N沟道MOSFET启动，直到电感器电流达到峰值电流限制为止。一旦达到电流限制，N沟道MOSFET就关断，SW和被驱动输出之间的P 沟道MOSFET就启动。该开关一直保持接通，直到电感器电流降至低于谷值电流限制为止，然后重复该周期。当VOUT 达到稳定点时，连接到SW引脚的N沟道和P沟道MOSFET都禁止，转换器进入休眠状态。

为了给微控制器和外部传感器供电，一个集成的LDO提供稳定的6mA 轨。该LDO由AUX输出供电，从而允许该LDO在主输出仍然在充电时达到稳定状态。LDO的输出电压可以是固定的2.2V，或可通过电阻器分压器调节。

集成的最大功率点控制电路允许用户为给定电源设定最佳输入电压工作点，参见图6。MPPC电路动态调节电感器的平均电流，以防止输入电压降至低于MPPC门限。当VIN高于MPPC电压时，电感器电流增大，直到VIIN被拉低至MPPC 设定点为止。如果VIN低于MPPC电压，那么电感器电流就减小，直到VIN升高到MPPC设定点为止。

图6 ： 面向单节光伏电池的典型最大功率点控制点。

LTC3105纳入了在轻负载时最大限度地提高效率的功能，同时，通过将电感器峰值和谷值电流作为负载的函数加以调节，还在重负载时增强了提供功率的能力。在轻负载时，将电感器峰值电流降至100mA，可降低传导损耗，从而优化了效率。随着负载增加，电感器峰值电流自动提高至400mA（最大值）。当在中等负载时，电感器峰值电流可能在100mA至400mA 之间变化。上述功能的优先级低于MPPC功能，并仅当电源提供的功率超过负载所需时才起作用。

在诸如光伏转换之类的应用中，输入电源也许长时间不存在。为了在这类情况下防止输出放电，LTC3105纳入了欠压闭锁（UVLO）功能，如果输入电压降至低于90mV（典型值），那么该功能就强制转换器进入停机模式。在停机模式，连接AUX和VOUT的开关启动，LDO置于反向隔离模式，流进VOUT的电流降至4μA（典型值）。在停机模式，通过LDO的反向电流限于1μA，以最大限度地减轻输出放电。

结论

由于拥有模拟开关模式电源设计专长的人员在全球范围内都处于短缺的局面，因此要设计出如图1所示的高效能量收集系统一直是很困难的事。面临的主要障碍是与远程无线感测相关联的电源管理。不过，随着LTC3105、LTC3109和LTC3588-1的推出，这种状况即将完全改变。这些器件能够从几乎所有的光源、热源或机械振动源提取能量。此外，凭借其全面的功能组合以及设计的简易性，它们还极大地简化了能量收集链中难以完成的功率转换设计。对于WSN设计师而言这是个好消息，因为其高集成度（包括电源管理控制和现成有售的外部组件）使之成为目前市面上最小、最简单和易于使用的解决方案。

因此，系统设计师和系统规划师必须从一开始就优先满足电源管理需求，以确保高效率的设计和成功的长期部署。幸运的是，领先的高性能模拟IC制造商现在提供越来越多的能量收集电源管理IC，从而极大地简化了此项任务。