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标题: 实现低功耗能源管理 [打印本页]

作者: update 时间: 2007-6-7 00:39
标题: 实现低功耗能源管理
作者：Jurgen Neuhausler , 德州仪器 (TI) 低功耗 DC/DC 转换器高级系统工程师

便携式设备的方便易用性是指其具有短暂的维护周期，维护周期指便携式设备与服务站相连，进行各种设置工作、上传和下载数据所需要的时间周期。可以通过采用诸如 WLAN、Bluetooth 以及 Zigbee 等各种无线传输技术（具体采用哪种无线传输技术，取决于所需交换的数据量）进行数据处理。因此，相关数据的处理工作能够在未对应用造成重大干扰的情况下进行。

维护工作的另一个方面就是为设备供电，而最简单易行的方法就是采用电池供电。方法之一是一旦放电完后即能进行更换原电池，这种方法几乎能保证设备的全天候 24 小时可用性。另一种方法是使用可充电电池，可通过 AC 线路的墙上适配器对其进行充电。但是，这种方法的缺点是充电时，不能使用该设备，至少设备的移动功能将受到限制。

为了减少电源维护时间，可为整个应用充电甚至供电的能源收获 (energy harvesting) 方法或各种备选能源引起了人们极大的兴趣。比如，在不易于获得维护，甚至远离交流电源的地区配置具有远程传感器的低功耗无线传感器网络，这种方法向电源设计提出了新的挑战。一般而言，能源收获技术依赖于能源，而能源并非能够随时获取，
而且能源需要在诸如可充电电池或大型电容器等各种存储设备中进行浮充 (buffered)。

由于便携式设备正不断小型化或将更多的功能集成到同样大小的设备中，因此电池的可用空间也正在逐步变小。正是由于这种原因，所以目前正在采用更小型化的电池。另外，为了降低平均功耗需求，采用节能的运行模式就显得尤为重要。通常这意味着只有在需要相应的功能时，才开启电路中的相关部分。由于大多数使用者不能接受有关功能就绪所需的长时间等待，因此上述开启过程需要以非常快的速度完成。于是，开启和关闭动作应在尽可能快的速度下完成。在电池侧，上述情况意味着虽然电池平均值可能已经下降，但是仍会产生很高的脉冲电流负载。如果正是因为采用了小型化电池而致使电池阻抗增大，那么由电流脉冲而引起的电池压降将显得尤为明显。同时，上述情况也将对电源电路提出新的挑战，甚至可能会需要不同的拓扑结构，如锂离子电池的降压/升压转换、碱性或 NiMH（镍氢）电池超低压升压转换器。

面临的另一种挑战是能源收获的途径。在此种应用中，电源并非总是保持正常，必须在启用前，对其进行储能。而且，电源通常很微弱，不能直接向设备的运行提供充足的电力。一个微弱的能源还会向其所连接的转换器提出挑战。另外，在能源收获设备处所获得的输出电压会大幅变动，而且会急剧下降。因此，为了从能源收获设备获取尽可能多的电力，所连接的电源必须能够应对在所有可能的运行模式下出现的这种电压大幅波动的现象。这包括如果浮充电池组完全放电，低压启动以减少所需设备维护的风险。

例如，太阳能电池组中每一电池的终端电压在 0.5V 的范围内，如果光照强度不够，电池阻抗将增大，从电池中输出的电流则变小。这也就是说，如果开启与电池相连的电源电路将导致电池输出电压产生显著的压降，即进一步降低启动电源电路的有效供电电压。

燃料电池也有类似的情况。如果隔膜中所提供的燃料和氧气达到最佳的配比，则其输出阻抗最低。如果隔膜中所提供的燃料和氧气的配比未能达到最佳，则电池阻抗将增大。当电池有输出电流时，典型的燃料电池将在输出电压为 0.4V ~ 0.6V 范围内运行。如果不带任何负载，电池电压将会升高到 1V。电池应对负载快速变化的能力受到控制燃料和氧气流动能力的限制。这意味着即使燃料电池在设计上能够完全向设备的使用提供充足的电力保障，但它仍不能对移动式设备中常见的负载变化做出足够快速的反应。在可靠的设计中，诸如大型的电容器和电池等储能装置，可应用于应对设备运行过程中出现的负载峰值。

为了消除低电压运行问题，采用多个电池进行串联的模式也许是一个解决方案。这大体上也就是说，电压越高，则能为负载变化期间的压降提供更多的裕度。但是，如果能量电池的有效总尺寸保持不变，则电池所获得的空间将减少。另外，也需要做好不同电池之间的连接和单个电池保护方面的工作。由于电池正在小型化，因此单个电池的阻抗也在增大。同时，电池串联将导致电池总阻抗更高，这将使由负载变化所引发的压降更高。

就电池而言，这意味着电池组的总可靠性正逐步降低。由于更多的组件（比如电池本身及其接头）可能失效，因此电池组整体出现故障的可能性将上升。

导致故障的另一个原因是充电良好的电池和充电欠佳的电池串联组合在一起。在这种连接方式中，充电欠佳电池的高阻抗会导致充电良好电池的能量不能得以高效利用。

为了使串联燃料电池能高效运行，必须予以注意的是，每个电池应填充相同量的燃料和氧气，以便将各个电池的阻抗维持在一个相近的水平上。由于进行燃料和气流控制的一些辅助操作不需较大空间，因此上述做法能够在诸如电厂所采用的那些大型设备中得以高效使用。另一方面，便携式设备对空间要求非常严格，同时还要求能在各个方位进行操作。在只有一个电池的情况下，也许这种要求更容易满足。

需要对太阳能电池板进行保护，以避免发生部分电池板背光的现象。背光电池的阻抗高，这种电池将可能被其它吸收更多太阳光的电池所产生的电压毁坏。由于在便携式设备中普遍采用太阳能电池，因此部分电池板背光的几率非常高。这也就是说，在这种情况下，太阳能电池最简单和可靠的配置方式也是单电池的配置模式。

当两块电池串联或并联时，所产生最大输出功率的影响如图1所示。在本例分析中，两块电池电压相同，而其阻抗各异。不匹配率说明了这种差别。例如，在不匹配率为1时，两块电池的阻抗相同；而在不匹配率为2时，其中一块电池的阻抗是另一块电池的两倍。

显而易见，如图所示，当电池采用并联设置的上曲线时，在最糟糕的情况下，最大有效输出功率下降 50%；下曲线表明了电池采用串联设置时，输出功率和电池不匹配率的关系。在不匹配率较高时，下曲线将降为零。这意味着如果不匹配率预期较高时，电池采用并联设置的模式将更为可靠，因为至少其还能提供部分功率。

在这种情况下，所获得的电源电路的供
电电压将非常低。在以上所引用的太阳能电池示例中，电源电路的供电电压将介于 0.5V ~ 0.3V 之间。这意味着能够在这种输入条件下工作的 DC/DC 转换器必须能够在 0.5V 时启动，至少在供电电压下降到 0.3V 时仍能正常运行。转换器可能输入的最低电压越小，所能维持的可靠供电时间则会越长。

对于采用电池进行能量浮充的系统来说，如果电池能用于向 DC/DC 转换器控制电路供电，那么低启动电压则无关紧要。但是，这种电路设置模式在电池深度放电后，将再也不能恢复，因为保护电路已经将电池断开。另外，低压启动能力提高了电路的可靠性。

在能源收获应用技术中，涉及储能设备时，更为有用的方法通常是以更高的电压电平进行相应的储能工作。一般说来，由于在实际应用过程中可以采用较低的电流电平，而且接头和主线路中的寄生电阻并非如此紧要，因此上述储能方法更为高效。同时，在电容器中，存储能量与电压的平方成正比，这样将会更易于提高能量的容积密度。这也意味着通过使用升压转换器，可以获得更高的电压电平。与精确稳压输出中所采用的标准升压转换器设计相比较而言，此处的输出电压取决于储能装置（比如一款大型的输出电容器）的充电状态。在上述条件下，升压转换器应能稳定运行。

图 2 为一款基于 TPS61200 的太阳能电池驱动的DC/DC 转换器模块。在本示例中，太阳能电池用于为锂离子电池充电，并予以设置以便使 TPS61200 能尽量调整输出电压以及尽可能从输入端获得更大的电流。在本例中，太阳能电池的高阻抗限制了输入电流，另外，太阳能电池中的电压甚至会降为零。电池一旦充电，TPS61200 就会调整输出电压，这种运行方式避免了电池被过充电。如果激活 TPS61200 的节能模式，那么就能确保在这种条件下不会浪费任何能量。如果电池电压下降，同时太阳能电池电压维持正常，该装置将先处于空闲模式，然后重新启动运行。

在本例所示应用过程中，太阳能电池的输出电流受其阻抗限制，或受 TPS61200 的电流限额限制。如果太阳能电池的阻抗变得非常高，那么其输出电压就有可能降为 0V。这也就是说，由于太阳能电池并不是在其最佳的工作条件下运行，因此它不会释放出能量。此时，加装一个运算放大器，以便将太阳能电池的反向电压输入到 TPS61200 电流控制环路，除了输出电压之外，确保在光照不足的条件下， TPS61200 转换器输入电流已调整至较低水平。这使得电路甚至在光照严重不足的条件下，仍能输出功率，而且使得电路中的太阳能电池在邻近其最大输出功率的工作条件下运行。图 3 为具有上述设置调整的电路。

作者: 11332 时间: 2007-11-7 01:25
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