低功率设计 —— 多低才算足够低?
凌力尔特公司
产品市场总监
Tony Armstrong
背景信息
便携式电源应用多种多样，应用领域十分广泛。产品从平均功耗在微瓦量级的无线传感器节点 (WSN) 到采用数百瓦-时电池组的推车式医疗或数据采集系统应有尽有。不过，尽管应用多种多样，仍然能够总结出几种趋势：设计师继续要求产品提供更大的功率，以支持越来越多的功能；用任何可用电源给电池充电。第一种趋势要求增大电池容量。不幸的是，用户常常不够耐心，不能容忍充电时间太长，所以容量增大的同时，充电时间必须仍然保持合理，这就导致充电电流增大。第二种趋势要求电池充电解决方案具有极大的灵活性。本文将详尽地探讨这些问题。
看一下新式手持式设备，面向消费者的设备和工业设备都有可能包含蜂窝手机调制解调器、Wi-Fi 模块、蓝牙模块、大型背光照明显示器等等。很多手持式设备的电源架构与蜂窝手机类似。一般情况下，3.7V 锂离子电池用作主电源，因为这类电池的单位重量 (Wh/kg) 和单位体积 (Wh/m3) 能量密度很大。过去，很多高功率设备采用 7.4V 锂离子电池以降低电流要求，但是随着低价 5V 电源管理 IC 的上市，越来越多的手持式设备采用了更低电压架构。平板电脑很好地说明了这一点。一个典型的平板电脑具有很多功能，同时采用非常大 (就便携式设备而言) 的显示屏。用 3.7V 电池供电时，容量必须达到数千毫安-时，例如 2200mAh。为了在数小时内完成这种电池的充电，需要数千毫安充电电流。
然而，充电电流这么大的同时，如果大电流交流适配器不可用，消费者还可能要求用 USB 端口给大功率设备充电。为了满足这些要求，在交流适配器可用时，电池充电器必须能够以大电流 (>2A) 充电，但是仍然能够高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，产品需要保护敏感的下游低压组件，使其避免过压事件导致的损坏，并将大电流从 USB 输入、交流适配器或电池无缝地引导到负载，同时最大限度地降低功耗。这就为电池 IC 制造商带来了极好的机会，他们可以开发安全管理电池充电算法、监视关键系统参数的 IC。
在电源应用领域的另一端，是能量收集系统的毫微功率转换要求，例如 WSN 中常见的能量收集系统，这类系统必须使用电源转换 IC，以处理非常低的功率和电流，可能分别为数十微瓦和数十纳安。
能量收集 WSN
我们周围有大量环境能源，传统的能量收集方法一直采用太阳能电池板和风力发电机。不过，新的收集工具允许我们用种类繁多的环境能源产生电能。此外，重要的不是电路的能量转换效率，而较重要的是用来供电之“平均收集得到的”能量。例如，热电发生器将热量转换成电力，压电组件转换机械振动，光伏组件转换太阳光 (或任何光源)，通过化学作用产生电流的组件将潮气转换成电能。这样就有可能给远程传感器供电，或者给电容器或薄膜电池等储能器件充电，以便微处理器或发送器能够无需本地电源而接受远程供电。
一般而言，能进入并用于非传统能源市场的 IC 所必需的性能和特性包括以下各项：
低备用静态电流，典型值低于 6µA，可低至 450nA低启动电压，低至 20mV接受高输入电压的能力，高达 34V 连续电压和 40V 瞬态电压能够处理 AC 输入多输出能力和自主系统电源管理自动极性运行针对太阳能输入的最大功率点控制 (MPPC)能够从低至 1°C 的温度变化中收集能量需要最少的外部组件，解决方案占板面积紧凑
WSN 基本上是一种自含式系统，由一些换能器组成，将环境能源转换成电信号，其后跟着的通常是 DC/DC 转换器和管理器，以通过合适的电压和电流给下游电子组件供电。下游电子组件包括微控制器、传感器和收发器。
在实现 WSN 时，需要考虑的一个问题是：运行这个 WSN 需要多少功率？从概念上看，这似乎是一个相当简单的问题，然而实际上，由于受到若干因素的影响，这是一个有点难以回答的问题。例如，需要间隔多长时间获取一次读数？或者，更重要的是，数据包多大？需要传送多远? 这是因为，获取一次传感器读数，系统所用能量约有 50% 是收发器消耗掉的。有若干种因素影响 WSN 能量收集系统的功耗特性。
当然，能量收集电源提供的能量多少取决于电源工作多久。因此，比较能量收集电源的主要衡量标准是功率密度，而不是能量密度。能量收集系统的可用功率一般很低，随时变化且不可预测，因此常常采用连接到收集器和辅助电力储存器的混合架构。收集器 (由于能量供给不受限制和功率不足) 是系统的能源。辅助电力储存器 (电池或电容器) 产生更大的输出功率但储存较少的能量，在需要时供电，除此之外定期接收来自收集器的电荷。因此，在没有可从其收集能量的环境能源时，必须用辅助电力储存器给 WSN 供电。当然，从系统设计师的角度来看，这进一步增加了复杂性，因为他们现在必须考虑，必须在辅助电力储存器中储存多少能量，才能补偿环境能源的不足。究竟需要储存多少能量，取决于几个因素，包括：
(1) 环境能源不存在的时间。
(2) WSN 占空比 (即读取数据和发送数据的频度)。
(3) 辅助电力储存器 (电容器、超级电容器或电池) 的尺寸和类型。
(4) 环境能源是否足够? 即既能充当主能源，又有足够的富余能量给辅助电力储存器充电，以当环境能源在某些规定时间内不可用时，给系统供电。
环境能源包括光、热差、振动波束、发送的 RF 信号或者其他任何能够通过换能器产生电荷的能源。以下表 1 说明了不同能源能够产生的能量大小。
表 1：能源及其产生的能量大小
能源
产生的典型能量值
典型应用
小型太阳能电池板
数百 mW/cm2 (阳光直射)
手持式电子设备
小型太阳能电池板
数百 µW/cm2 (阳光间接照射)
手持式电子设备
席贝克 (Seebeck) 器件
(将热能转换成电能)
数十 µW/cm2 (体热)
远程无线传感器
席贝克器件
数十 mW/cm2 (炉子排气烟道)
远程无线启动器
压电器件 (通过器件压缩或挠曲产生能量)
数百 µW/cm2
手持式电子设备或远程无线启动器
来自天线的 RF 能量
数百 pW/cm2
远程无线传感器
一款毫微功率 IC 解决方案
显然，WSN 可获得的能量很低。这又意味着，该系统中所用组件必须能够应对这种低功率情况。尽管收发器和微控制器已经解决了这个问题，但是在电源转换方面仍然存在空白。不过，凌力尔特推出了 LTC3388-1 / LTC3388-3，以专门应对这种需求。
LTC3388-1 / LTC3388-3 是一款 20V 输入、同步降压型转换器，可提供高达 50mA 的连续输出电流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封装，参见图 1 所示原理图。该器件在 2.7V 至 20V 的输入电压范围内工作，适用于多种能量收集和电池供电应用，包括 “保持有效” 的电源和工业控制电源。
图 1：LTC3388-1/ LTC3388-3 典型应用原理图
LTC3388-1 / LTC3388-3 运用迟滞同步整流方法，以在很宽的负载电流范围内优化效率。该器件在 15uA 至50mA 负载范围内可提供超过 90% 的效率，且仅需要 400nA 静态电流，从而使其能够延长电池寿命。该器件采用 3mm x 3mm DFN 封装 (或 MSOP-10 封装)，仅需要 5 个外部组件，可为种类繁多的低功率应用组成非常简单和占板面积很紧凑的解决方案。
LTC3388-1 / LTC3388-3 提供准确的欠压闭锁 (ULVO) 功能，以在输入电压降至低于 2.3V 时禁止转换器，从而将静态电流降至仅为 400nA。一旦进入稳定状态 (无负载时)，LTC3388-1 / LTC3388-3 就进入休眠模式，以最大限度地降低静态电流，使其达到仅为 720nA。然后，该降压型转换器按需接通和断开，以保持输出稳定。当输出在持续时间很短的负载 (例如无线调制解调器，这类负载要求低纹波) 情况下处于稳定状态时，另一种备用模式禁止切换。这种高效率、低静态电流设计适用于能量收集等多种应用，这类应用需要长充电周期，同时以短突发负载为传感器和无线调制解调器供电。
结论
尽管便携式应用和能量收集系统正常工作时功率大小差异很大，从数微瓦直至高于 1W，但是有很多电源转换 IC 可供系统设计师选择。不过，在需要转换毫微安电流的较低功率情况下，选择变得有限了。
幸运的是，LTC3388-1 / LTC3388-3 单片降压型转换器的极低静态电流使该器件非常适用于低功率应用。低于 1µA 的静态电流可为便携式电子产品中 “保持有效” 的电路延长电池寿命，实现了 WSN 等全新一代能量收集应用。