解决便携电子设备替代能源难题的IC器件

设想一部待机功率无限小的手机,或者是一个从不需要充电的MP3播放器会是什么样。便携式消费电子设备有望使用太阳能或微型燃料电池等再生能源进行供电。不过在构建这类能从外部能源汲取能量的系统时,设计人员面临着巨大的挑战。

首先,利用再生能源的供电电路必须支持低至0.3V的输入电压。“单节太阳能电池空载时的工作电压为0.4 ~0.7 V。如果在输出端加载,电压就会下降到0.4 ~ 0.5 V或更低一些。”德州仪器公司DC-DC转换器产品营销工程师Alex Friebe指出。

许多转换器专门为可充电电池设计,支持最低0.7V的输入电压,启动电压则需达到0.9V或以上。而且,支持替代能源的转换器要有宽泛的输入范围且具有高于常规的效率,以便从低功率电源上实现最大限度地能量转换。

此外,替代能源的性能方面也有一些独特的考虑,但设计人员往往忽略了这些问题。太阳能电池产生的电流与照射在太阳能电池表面上的总光量成比例。而照射在单节电池或一组串联电池上的不均匀光可能导致输出阻抗增加,从而降低输出功率。另一方面,微型燃料电池的负载条件可能因其化学类型不同而各异。

不久前TI推出一款升压转换器TPS61200,可帮助设计人员有效使用替代电源的非标准电压为便携式电子设备中的锂离子电池充电。TPS61200集成了一个1.5A的开关,支持0.3～5.5V的输入电压。该转换器在任何负载情况下均可实现0.5V的超低启动电压,同时保持高达90%的效率。

该器件工作原理类似于电感型升压转换器架构。首先由集成升压级在0.3 或 0.5 V电压下启动器件,一旦电压达到预定的阈值,转换器就无缝切换到主升压级。

这款升压转换器具有下变频模式,可在输入电压超过输出电压时保护器件。“输入电压超过输出电压,就会出现不稳定现象,”Friebe解释道。“当这种情况发生时,下变频模式可降低输入电压来匹配输出电压,同时不影响效率。”另外,该器件还提供有短路保护和可编程欠压锁定等功能。

图:提升V_aux电压以低功率启动主要电路。

对于便携式设备而言,器件占位面积是一个重要考虑事项。“问题在于,太阳能电池阵列应该具有多大规模才能满足系统的要求？”太阳能技术研究机构The Information Network公司总裁Robert Castellano表示。

TPS61200支持单节太阳能电池供电,因而省去了多节太阳能电池串联,或串联保护电路。这使得设计人员能够为手机及其它设备创建简单的内置太阳能供电充电器,只需室内环境光照就能提供无限长的系统待机时间。“在普通办公环境中,手机耗电量在7 ~10 mA间,Mp3播放器耗电量在5mA左右,”Friebe提到。“即使在恶劣条件下使用室内环境光,太阳能电池也能够产生9 ~ 12 mA的电流,因此,只要把这种充电器连接到手机上,理论上就可以获得无限延长待机时间。”

但更关键的问题可能在于采用替代能源工作的便携式消费电子设备是否具备可行性市场。Linear公司功率产品营销经理Tony Armstrong表示,在工业化的世界里,通过插座、USB端口或汽车内的适配器,用户对电源的使用几乎无处不在。Linear可提供启动电压低至0.7V的升压转换器。

此外,电池和系统设计方面的进步有望延长锂电池寿命。“锂电池化学技术方面的发展,提高了能量密度,实现了更好的放电曲线,而外形尺寸可保持不变,”Armstrong称。“新的功率器件也在相继推出,它们具有更低的静态电流或更高的效率,因此功耗更低。”

“电池容量以每年大约5%的速度提高,同时,对电池功率的要求也在显著增加。我们一直在尝试尽可能提高每种器件的效率。”美国国家半导体公司功率管理部门营销主管Mark Davidson表示。目前普遍使用的电池放电量在3 V左右,预计今年稍晚推出的新型电池工作电压将在2.5V级以下。“对有限的系统功率而言,这可能是一个比依赖燃料电池或太阳能电池更具可行性的解决方案。”Davidson指出。

作者:John H. Mayer

自由撰稿人