参考文献
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- 邓琦，“基于电感和电荷泵的DC/DC变换器的比较”，http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1273125．2017年9月25日取回。
- Dale H. Litwhiler和Thomas H. Gavigan，“为电子门锁供电的门运动能量收集系统”，2014年IAJC/ISAM联合国际会议论文集．
- Pierre Mars，“耦合一个超级电容器和一个小型能量收集源”，EDN, 2012年6月7日。
- https://learn.adafruit.com/diy-boost-calc/the-calculator．2017年9月25日取回。
- 德州仪器，“了解开关模式电源中的升压功率级”，应用报告SLVA061, 1999年3月
摘要
能源收集是一个热门话题。一般来说，这一术语是指从环境源(如环境光、无线电波、温差、人或车辆运动或声音)中获取能量。随着低功耗电子技术的进步，通过收集这些能量为低功耗设备供电已经变得很有意义。超级电容器技术的发展为我们提供了一个方便的工具来捕捉这种能量。在本应用笔记中，我们提出了一种使用超级电容的能量收集解决方案，在低功耗应用(如电子门锁或数据记录器)中最小化或消除使用电池。雷竞技安卓下载该设计利用了GreenPAK™可编程混合信号专用集成电路(ASIC)作为主要控制元件。我们提出的解决方案有双重目的，它还演示了如何使用GreenPAK设备设计基于电感的升压变换器。
虽然提出了设计是基于标准单独电感增加变换器拓扑,有一些明显的优势在使用GreenPAK方法相比,使用一个标准的现成的转换器IC。首先,我们可以集成解决方案与其他电路功能-相关或不相关的同样的IC。其次,我们可以在同一个GreenPAK芯片中加入特定的控制机制，如超级电容过电压保护和电池平衡，从而定制解决方案。第三，可以利用固有的设计灵活性;例如，在能量收集的背景下，我们可以设计这样一个解决方案，使其在输入电压小于现有集成电路的典型最小值(~1V)的情况下工作。
广泛的设计策略
在本文中，我们考虑了需要5V电源的负载情况。负载可以是恒定的(如数据记录器)，也可以是需要间歇性爆发电源的，如电子门锁[7]。我们将探讨在后一种情况下对设计的影响。总体硬件原理图如图1所示。第1代代表正在收获的能源。(注意，多个能源可以通过各自的二极管进行并联。)我们首先提供一个实际设计所需的各种成分的概述，以及它们是如何工作的。
能量储存
该设计围绕一个1.5F的超级电容展开。超级电容的额定电压为2.7V和5V。5V版本不需要平衡端子，使设计更容易。在我们的测试中，我们使用了Bussman的PowerStor系列中的一个，它没有平衡终端。
在收获的背景下，最大功率转移的话题变得重要。收集发电机如太阳能电池板或压电发电机通常不受输出短路的影响，所以一个简单的策略是简单地连接一个超级电容跨越发电机[8]。这可能不会导致最大的功率传输，特别是当超级电容完全放电并呈现虚短路，导致输出降至接近零。然而，由于两个原因，它实现简单，应用普遍:
- MPPT点的电压不一定是发电机输出的一半
- 发电机可能提供尖峰的能量，使最大功率转移跟踪困难或不可能
因此，在本说明中，我们建议使用一个超级电容，直接连接到发电机。这样做还有一个好处，那就是需要一家规模较小的超大型银行，如下所述。请注意，当一个单一的二极管在输入足够的太阳能电池板，桥是更适合交流发电机。
超级电容的大小和过电压保护是重要的设计考虑。一方面，超级电容必须足够大，以储存足够的能量，在发电机不活动的时候为负载提供动力。另一方面，当发电机有功时，我们必须在超级电容充满电时丢弃多余的能量，以防止过电压故障。
直流-直流转换
[7]中提出的设计使用升压变换器将发电机电压升压到门锁开启电路所需要的值，并向该目标电压充电。当目标电压大于5V时，通常情况下，这有一个缺点，我们需要放置多个超级电容串联。另一种方法是将超级电容放置在输入级，如上所述，并让它充电到一个较低的电压，为下游升压变换器供电。这将导致一家规模较小的超大型银行。在本文中，我们采用后一种方法。
一般情况下，DC-DC转换可以通过使用基于电容的电荷泵或基于电感的转换器来实现。如果只寻找升压转换，那么基于电感的方法稍微简单一些，只需要一个转换阶段。基于电容的解决方案需要两个阶段:一个电荷泵，将输入电压提升2倍，然后是一个基于pwm的降压阶段，以达到目标电压(所谓的调节电荷泵)。传统上，电感器由于体积大而不受欢迎，但事实上，我们处理的电流相对较低，减少了体积和成本，使其具有吸引力。此外，基于电感的转换器能够产生更高的输出电流，因此更适合于电流突发明显高于平均消耗预期，如门锁。
在电感转换器中，MOSFET开关通常需要处理可能高于目标输出电压的电压。它们还需要开关时间比开关脉冲宽度小。此外，我们需要一个低导通电阻的场效应晶体管。图1中的MOSFET是一种常见的低成本类型，符合要求。
电压调整
输出电压调节可以通过GreenPAK实现，该GreenPAK基于输出反馈控制MOSFET的占空比。
工作周期边界
注意，与基于电容的变换器不同，在基于电感的升压变换器中，重要的是要确保MOSFET的驱动从来没有达到100%占空比，这将导致MOSFET进入连续导电状态。这将简单地释放超级电容而不提供任何推动!这意味着当占空比接近100%时，我们需要感知占空比，并防止其进一步增加。
低电压检测
一旦我们确定了占空比极限，从标准转换器设计数学中可以看出，我们可以计算出相应的[最低可能]输入电压，低于此电压升压转换可能无法有效工作。这在原则上是可能的，但在实际操作中存在困难，因为负载电流可能像在门锁中那样变化很大，而且元件公差、杂散电阻、寄生电容等也存在问题。我们需要低压运行时测试。
一旦我们能够检测到低电压，我们可能有以下几种选择:正确的选择当然取决于应用程序的上下文。
- 为正在供电的设备提供外部信号，以便它能采取适当的行动，如进入低功耗状态
- 关闭PWM振荡器以降低GreenPAK设备的功耗
- 从超级电容切换到电池作为电源
二次电池的支持
在某些情况下，将电池作为解决方案的一部分是有意义的，设计成在需要时向超级电容注入少量的电荷。图1展示了一个简单的备选方案，由GreenPAK控制的GreenFET Q2组成。请注意，电池就像任何其他收集的能源一样进入超级电容;R3用于限制最大电流，取决于电池类型。电池支持可以配置在几种方式;我们在这里列出了其中几个:
- 电池有电压启动吗更高的比触发前一段所述的低电压检测的电压高。在这种情况下，低电压指示只发生在电池终于开始耗尽时，并有效地成为低电池指示
- 电池有电压启动吗较低的而不是触发低压检测的。这样做的目的是让设备进入低功率模式，但如果收集到的能源在异常长时间内无法使用，则可以防止设备完全死亡。这种策略是适合的，例如，如果设备供电可以继续工作-如GreenPAK可以-电压明显低于5V的标称Vdd。
实现在GreenPAK设计师
图2显示了使用SLG46533V．现在，我们将解释如何在设计器中实现每个设计元素。
PWM操作
2 mhz OSC的输出块用于PWM信号生成应用程序中描述的方式指出- 1117和- 1122尽管有一些小的修改,以适应现在的环境下,所以我们只提供操作的简要总结,参考读者的细节在这些笔记。
数据设置为50的CNT2和CNT4块每50个时钟脉冲产生set和RESET信号，这些信号馈给SR Latch LUT1，产生矩形PWM波形;SET会导致LUT1的输出变高，RESET会导致输出变低。PWM波形的周期是时钟频率除以50，在这种情况下是40kHz。当脉宽(占空比)需要增加时，DOWN/nUP信号变低，导致SET信号提前出现，从而增加占空比。相反，当DOWN/nUP线路变高时，RESET信号出现得更早，导致占空比降低。DOWN/nUP信号来自监控芯片Vdd的ACMP2。CNT0的目的是指定一个比SET/RESET脉冲速率慢的PWM占空比更新频率。计数器值可能需要根据负载值进行一些试验;值在2到10之间通常有效。关于基本PWM发动机工作的更多细节，读者可以参考AN-1117和AN-1122。
如果SET和RESET信号重叠，则占空比为零。在这个阶段，我们需要检查这是由于占空比逐渐减少到零，还是由于占空比逐渐增加到100%而导致溢出。在我们的设计中，我们有一个明确的占空比边界机制，所以100%的检查是不需要的。鉴于此，唯一的其他可能性是，在SET和RESET信号重叠的瞬间，DOWN/nUP信号是高的。则占空比必须保持为零;这是由L0感知的，它禁用PWM和重置PWM引擎。
工作周期边界
假设我们已经决定占空比不应该超过95%。PWM波形可以有和CNT2/CNT4数据域一样多的时钟脉冲，这意味着我们想要检测的宽度大于47个时钟脉冲。这是通过馈送PWM信号到DLY3，该DLY3有数据=47，并被配置为延迟上升沿。因此，DLY3作为一个滤波器，当正脉冲长度超过47个时钟脉冲时，输出端出现延迟上升沿，并切换SR锁存器LUT4。此时，如果DOWN/nUP信号是低的，则系统试图进一步增加占空比。LUT11输出一个高并冻结CNT0(负责更新占空比)，使占空比不能进一步增加。相反，当占空比低于设定阈值时，DLY5作为滤波器进行检测;在给定的设计中，DLY5的Data值为7，因此当PWM周期的非正脉冲大于7时，一个正脉冲被发送到LUT4的复位输入，将其输出切换到低，CNT0恢复正常工作。
低能量的指示
升压变换器往往不是通过提供稳定的PWM波形，而是通过提供一个PWM范围来工作。这是由于ACMP2配备了一个25mV的迟滞，在输入端转换为0.1V的迟滞。这个迟滞的影响是系统在这两个迟滞点之间不断循环。在上行过程中，PWM占空比不断增大，在下行过程中，PWM占空比不断减小。在较低的超级电容电压下，占空比在向上迟滞点移动的过程中可能会达到其上限，但一旦达到这一点，占空比可能会随着它开始向下迟滞点移动而减小。因此，我们需要检查占空比是否在其上限停留了足够长的时间，从而得出结论，超级电容电压确实太低，无法维持当前负载。我们使用DLY1来实现这一点，DLY1被配置为1秒的上升缘延迟(Data=32000)。当占空比在这段时间内连续保持在其上限而没有恢复时，DLY1输出一个脉冲，该脉冲设置SR Latch LUT13的输出。这个输出可以用作信号，以影响低能量的行动，如指示正在供电的设备，它应该进入低功率模式或切换到电池备份。当占空比最终恢复时(因为，比如说，收集的能量对超级电容充电)，然后由DLY5产生的边缘重置LUT13信号，收集的能量再次可用。
二次电池的支持
ACMP3被设计成一个独立的附加组件，以设计原理图。使用一个简单的规则来决定何时开启GreenPAK Q2以增加能量输入:当超级电容电压低于400mV时，会显示IN和滞回值，此时Q2通过电池注入引脚上的高输出开启。一旦发生这种情况，ACMP3就会一直开到超级电容充电到1.2V。
Supercap过电压保护装置
超级电容必须防止过电压。这是很简单地通过使用ACMP1实现的，如果超级电容电压超过预定义的值，比如5V电容的4.5V，输出就会很低。当这种情况发生时，一个放电电阻出现在超级电容和防止它过充电。
旁白:能量收集的DCM近似
我们使用的升压变换器的拓扑结构是相当标准的——一般情况下的详细数学可以在[10]中找到。这种变换器中的电感可以工作在两种模式-连续导通模式(CCM)和间断导通模式(DCM)。在CCM模式下，输入和输出之间的电压比只依赖于占空比，而不依赖于负载。关系由Vo/Vi = D/(1-D)给出。然而，CCM需要更大的电感值，并且只发生在临界电流以上。CCM所需的最小电感为
其中Vo是输出电压，Ts是PWM波形的时间周期，Io(crit)是我们想要CCM的最小负载电流。在本设计中，PWM是在40kHz。如果我们想要在15mA的CCM，我们需要至少520uH的电感，在10mA至少780uH。显然，在低功率的能源收集应用中，我们必须通常期望为DCM设计。雷竞技安卓下载这必须记住，当查找联机计算器基于电感的转换器，如流行的在[9];很明显，计算器是为CCM操作而设计的，因此很容易引起误解!
在DCM中，电压比取决于负载以及占空比。DCM情况下的精确公式由[10]给出:
式中K定义为:
其中Vi为输入电压，R为负载电阻。顺便让我们推导一个有用的近似情况下，输入电压很低，占空比接近单位。这与我们设计中的低能耗情况相对应。这样的近似对于理解变频器在关键时刻的广泛行为是有用的。
在本设计中，t = 25uS, L = 0.51mH，故K ~40/R。如果R >1k欧姆，正如我们在许多低功率能量收集应用中所期望的那样，那么K < 0.04和√K < 0.2。雷竞技安卓下载应用这些近似，(2)简化为:
测试结果
由于发电机直接耦合到超级电容，微发电的精确性质是无关紧要的;更重要的是研究负载激增对系统的影响。例如，一个门锁在空闲时可能只消耗几个微安，但当操作锁[7]时，通常会消耗15-20毫安，持续5-6秒。在如图1所示的组件值的实验室测试中，电路在3.5V的初始超级电容电压下，能够在5V下提供20mA 35秒，然后输出电压暂时下降到低于4.75V，在这一点上仿真被指定停止。线路调节良好，输出电压在空载和20mA负载之间的变化小于2%。
注意:输出过压
在没有经过优化设计的电感式升压变换器中，有可能输出电压击穿超过目标Vdd值。我们不想使用齐纳二极管的输出，因为这将意味着浪费宝贵的收获能源!相反，更谨慎的做法是从第一原则来检查过电压的原因，并在设计中通过预防措施来解决这些问题。出于同样的原因，防止伪PWM脉冲也是很重要的。在给定设计的测试中，我们观察到过电压倾向通常发生在两种情况下:
- 在空载条件下启动时
- 当负载突然断开时(如门锁电磁阀失效)。
在这些情况下，控制行为的重要参数是控制PWM更新率的CNT0的数据值和CNT3/CNT5的数据值，这些必须进行实验才能得到满意的结果。
这也是在仿真期间，启动ACMP2的任何延迟导致假PWM脉冲出现在输出，尽管Vdd已经在其目标值，这导致电压进一步射到异常水平。L3和L2通过等待占空比达到其极限并在那里停留一秒钟，然后通过READY信号门控PWM输出来防止这种情况。
当然，顺便要注意的是，GreenPAK设备以及Q2是由转换器本身的输出提供动力的。因此，在仿真或部署期间，必须首先将输出电容充电到5V，然后启动系统。
结论和扩展
本说明中提出的设计有几个可能的扩展。一般来说，可以想象，发电机电压可能在不同的时间高于或低于所需的输出电压。因此，我们可以创建一个更一般的设计，有一个buck-boost变换器，而不仅仅是一个boost变换器。作为一种更复杂的选择，我们还可以看看buck-boost转换器的SEPIC拓扑，这种拓扑稍不常见(但在某些方面更有能力)。另一个扩展是当超级电容完全充电时利用收集的能量给电池充电，而不是耗尽它。