真正擺脫電網(wǎng)的束縛：面向無線傳感器的堅(jiān)固型能量收集系統(tǒng)
一個(gè)更為嚴(yán)重的問題是：當(dāng)電池完全放電時(shí)會(huì)發(fā)生什么？假如在電池的充電狀態(tài) (State of charge，SOC) 達(dá)到零之后繼續(xù)從電池吸收電流且電池電壓下降至 2.1V 以下，則電池將遭受永久性的損壞。所以，應(yīng)用必須確保電池電壓絕對不能降至該限值以下。為此，電池截止電壓被設(shè)定為 2.7V 或 3.2V，以保證在斷接電路投入使用之后電池中可保留一些能量。
僅僅停止發(fā)送器的運(yùn)作或?qū)⒇?fù)載斷接將無法起到保護(hù)電池的作用，因?yàn)?LTC4071 吸收約 600nA 的靜態(tài)電流。雖然這一靜態(tài)電流非常之低，但包括 LTC3588-1 在內(nèi)的總負(fù)載則接近 2µA。一個(gè)完全放電的電池在其電壓下降至足以損壞電池之前將只能提供約 100µA 的電流。
需要一個(gè)斷接電路，以確保電池在一段合理的時(shí)間里不至于發(fā)生放電。LTC4071 提供了一個(gè)內(nèi)部低電池電量斷接電路。經(jīng)測量，在室溫條件下，該斷接電路在啟動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生 <2nA 的電池負(fù)載。這一漏電流通常受 PCB 漏電流的支配。當(dāng)電池漏電流僅為 2nA 時(shí)，在其受損之前，電池可在斷接狀態(tài)中工作 50,000 小時(shí)。
在圖 3 中可見，由于 2µA 負(fù)載的原因，BAT2 在 BAT1 之后斷接 50 小時(shí)。
圖 3：采用電池欠壓斷接時(shí)的放電情況
測量結(jié)果
圖 1 所示的系統(tǒng)在“放電-發(fā)送”(圖 3) 和“充電-發(fā)送”(圖 4) 這兩種操作模式中均進(jìn)行了測量。
圖 4：電池?cái)嘟踊謴?fù)充電
放電-發(fā)送
在圖 3 中，我們給出了當(dāng)由電池來提供所有系統(tǒng)能量時(shí) (PFCB-W14 壓電式傳感器未提供任何能量) 兩個(gè)電池 BAT1、BAT2 的電壓以及 VBUCK 隨時(shí)間變化的情況。
電池緩慢放電直到 BAT2 觸發(fā) LTC4071 的 LBO 門限為止，隨后斷接電路啟動(dòng)并使 BAT2 與所有的電路 (U5 除外) 斷接。這將導(dǎo)致 LTC3588 的 VIN 引腳電壓降至穩(wěn)壓器的 UVLO 以下，而穩(wěn)壓器將關(guān)斷。
BAT1上的負(fù)載是 LTC4071 和 LTC3588 的 2µA 靜態(tài)電流。這個(gè)小負(fù)載使 BAT1 緩慢地放電，直到 LTC4071 的低電池電量斷接功能電路啟動(dòng)為止，BAT1 隨即被斷接。
充電-發(fā)送
當(dāng) PFCB-W14 再次開始向系統(tǒng)輸送功率時(shí)，VIN 將上升至 7V，從而給 LTC4071 中斷接 FET 的體二極管施加正向偏置。這將對電池充電，直至達(dá)到重接門限為止，進(jìn)而允許重新連接電池 BAT1 和 BAT2。觀察圖 4 可以發(fā)現(xiàn)，這將表現(xiàn)為 VIN 上的電壓迅速下降至電池組電壓。
由于 VIN 上的電壓現(xiàn)為 VBAT1 + VBAT2 + (180µA x 15k) = 6.2V，因此 LTC3588 上的降壓型穩(wěn)壓器將重新起動(dòng)，并可再次提供 3.3V 電壓。
結(jié)論
只需借助少量易于使用的組件，即可構(gòu)建一種適合無線傳感器-發(fā)送器的完整和緊湊型能量收集電源子系統(tǒng)。在此特殊的系統(tǒng)中，由一個(gè)壓電式傳感器提供間歇式電源，而兩個(gè)電池則負(fù)責(zé)存儲能量以供傳感器-發(fā)送器之用。一個(gè)集成型斷接開關(guān)用于保護(hù)電池免遭過度放電的損壞。
該系統(tǒng)能夠在 75 小時(shí)內(nèi)完成電池的滿充電，即使以 0.5% 的占空比運(yùn)作傳感器-發(fā)送器的情況下也不例外。
在 PFCB-W15 停止供電之后，電池將允許系統(tǒng)以 0.5% 的占空比持續(xù)運(yùn)作傳感器-發(fā)送器達(dá) 115 小時(shí)。如果需要較長的電池工作時(shí)間，則可降低傳感器-發(fā)送器占空比以滿足這一要求。
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