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如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

申博怎么玩不了 ? 2019-02-20 08:08 ? 次阅读

开发具有能量收集源的系统可能是一项挑战,低电压和不规则电压使设计人员难以为工业物联网(IIoT)中使用的无线传感器网络提供稳定的电源。

低成本和高可靠性在工业物联网中比数据速率更重要,半导体供应商已经将他们自己的评估系统整合在一起,以帮助设计人员找到最好的方法来利用它们周围的能量为各种节点供电源。

使用能量收集将可充电电池的使用时间从一年延长到十年,大大降低了工业物联网网络的运营成本,无需更换数万个传感器中的电池。这不仅可以补偿无线节点的额外复杂性。在某些情况下,设计人员甚至可以完全消除电池,以节省网络运营的进一步成本和复杂性。

有些来源比其他来源更为成熟。光伏太阳能电池能够以可预测的电压提供定期电流供应,甚至可以从工厂车间的室内荧光灯照明。这可以与针对能量收集进行优化的电源管理器一起使用,例如STMicroelectronics的超低功耗SPV1050,它实现了最大功率点跟踪算法(MPPT),输入电压范围为75 mA。

除了MPPT功能外,SPV1050还集成了降压 - 升压转换器的开关元件,通过严密监控充电结束和最小电池电压,可以对任何电池(包括薄膜电池)充电。以避免过度放电并保持电池寿命。

MPPT可通过电阻输入分压器进行编程(参见图1),并允许在任何温度和辐照度条件下最大化源功率。可以使用未调节的电压输出(例如,提供微控制器),同时嵌入两个完全独立的低压差稳压器(LDO),为传感器和RF收发器供电,以便轻松实现工业物联网的节点。两个LDO(1.8 V和3.3 V)均可通过两个专用引脚独立使能,为这些外部器件供电。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图1:STMicroelectronics的SPV1050使用MPPT控制器用于光伏电池,但也可以与热能发电机一起使用。

然而,该设备不仅仅是光伏电池,因为输入电压范围从75 mV到18 V,效率很高降压 - 升压和升压配置均可支持热能生成(TEG)源。它们通常使用珀耳帖效应从温差产生电流,并且可以具有广泛变化的输出电压。

SPV1050还具有针对充电结束和欠压保护电压的微调功能,以确保匹配任何电源和电池。

这用于STEVAL-ISV020V1评估板(图2),该评估板使用SPV1050实现具有特定跳线测试点的降压 - 升压DC-DC转换器,以帮助开发人员找到最佳系统配置。

该板针对2.6 V和9 V之间的PV面板进行了优化,输入电流范围为10 mA至20 mA。这用于使用3.7 V欠压保护阈值(VUVP)和4.2 V充电结束电压阈值(VEOC)为电池充电。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图2:STEVAL-ISV20V1评估板允许不同的光伏阵列和TEG源与SPV1050电源管理器一起使用。

通过改变输入和输出电阻分区,CIN电容和MPPT控制VMPP_SET,不同可以使用PV板。可以轻松更改欠压和充电结束阈值(VUVP低至2.2 V,VEOC高达5.3 V),以支持TEG源和不同的电池负载。

同样,ADI公司已经使用其能量收集评估板来帮助开发人员将其ADP5090低压电源管理器用于能量收集源。

ADI公司开发了一种多通道数据采集系统的参考设计,该系统采用能量采集,旨在实现极其紧凑的外形。

为这样的系统供电需要考虑各种其他设备,例如数据转换器和通信设备,这些设备在评估板上进行配置和演示。

这包括AD7091R-5 12位,超低功耗,逐次逼近型模数转换器ADC),采用2.7 V至5.25 V单电源供电,需要与电源和电池相匹配。

ADC还包括片上转换时钟,精确基准电压源和I 2 C接口,可在标准100 kHz模式和400 kHz快速模式下工作转换过程和数据采集在快速模式下提供最大22.22 kSPS的吞吐率。

ADC具有自动循环模式,允许用户将ADC配置为自主操作,用于监视用户定义范围之外的事件。这通常用于监视选择的通道,其中限制寄存器被编程为通过警报功能发出超出范围的信号。

为此,ADP5090集成升压调节器可转换来自光伏电池或TEG源的功率输入功率范围为16μW至200 mW,可为电池或超级电容器充电,ADP5090的SYS电压输出为图3所示的整个电路供电。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图3:将ADP5090能量收集功率管理器与用于自供电多通道数据采集模块的ADC相结合。

要考虑的器件的一个关键特性是内部冷启动电路,它允许它在低至380 mV的输入电压下开始工作。来自PV电池或TEG的能量在ENERGY_IN时引入,当这超过380 mV时,ADP5090进入冷启动状态。然后器件退出冷启动,当SYS电压超过VSYS_TH(通常为1.93 V)时,主升压使能。逻辑高电平(PGOOD)等于SYS电压,因此当达到电池端电压时,主升压充电器关闭。然后,这将为电路板上的其他设备提供电源流。

然而,根据所使用的储能设备的类型,可以进行优化,这些是由电阻器的比率提供的。某些引脚如图4所示。这些比率需要针对不同的超级电容器和可充电电池进行计算,以满足更高或更低的能量需求,但参考电路为工业物联网的无电池传感器提供了出色的起点。/p>

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图4:ADP5090电源管理器的能量收集电路。

ADP5090升压调节器以脉冲频率模式工作(PFM ),将存储在输入电容器中的能量传输到SYS和一个50 mF,3.5 V超级电容器。 PGOOD阈值由外部连接器设置,表示SYS电压处于可接受的电压,如图5b所示,其中RPG1和RPG2是图4中的值.VREF_ADP5090通常为1.21 V。

ADP5090还配备了电池过充电和放电保护阈值,这些阈值也由外部电阻设置。为了防止过充电,电池端电压的上升阈值如图5b所示,其中RTERM1和RTERM2是图4中的值。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图5b :保护电池免于过度充电和过度放电

为防止深度放电,电池放电关断电压的下降阈值如图5c所示,其中RSD1和RSD2是图4中的值。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图5c:电池放电关闭的下降阈值以保护电路的其余部分

此参考设计无需外部电路电池为电路供电,CN-0372电路板使用超级电容为小型电子设备和无电池系统供电,可以放置在工业物联网的任何地方收集数据。添加可充电电池并改变电阻比以保护它可以为添加其他设备(如无线收发器模块)提供更高的峰值电流。

如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

图6:ADI公司的EVAL-CN0372-PMDZ能量收集评估板

结论

使用评估板评估电能管理设备的能量收集是必不可少的工具,但仍有优化工程师探索以获得最有效的应用解决方案。现代电力管理器支持光伏电池或热发电机从环境中获取能量,评估板证明可以实现具有这种设备的无电池传感器节点,以及具有电池的系统以支持更高的峰值电流要求。这为工业物联网系统设计人员在开发网络节点时提供了更大的灵活性,而无需担心电源供应。

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7是一款高电流双输出DC-DC转换器,可产生正电压和负电压。 LV52117特别适用于LCD显示器等电源应用。 特性 集成1.5MHz同步升压和逆变器转换器 2.75V至4.6V输入电压范围 4.6V至5.8V可调正输出(VDCO1) -5.8V至-4.6V可调负输出(VDCO2) 输出电流高达100mA 脉冲跳跃模式低负载条件 过流/短路保护 终端产品 液晶面板 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-30 00:02 ? 66次 阅读
LV52117QA 用于LCD面板的双输出DC-DC转换器

KA78R LDO稳压器 1 A 5至15V 带固定输出

XC是一款适用于各种电子设备的低压差稳压器。它提供带有TO-220-4引线全模封装的恒压电源。在满额定电流(1A)下,KA78RXXC的压差低于0.5V。该稳压器具有各种功能,如峰值电流保护,热关断,过压保护和输出禁用功能。 特性 1A / 3.3V,5V,8V,9V ,12V,15V输出低压差稳压器 TO-220全模封装(4pin) 过流保护,热关机 过压保护,短路保护 带输出禁用功能 应用 此产品是一般用途,适用于许多不同的应用。 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 23:02 ? 83次 阅读
KA78R LDO稳压器 1 A 5至15V 带固定输出

NCV8720 LDO稳压器 350 mA 超低压降 高PSRR 带偏置轨

0是一款350 mA LDO,配有NMOS passtransistor和独立的偏置电源电压(VBIAS)。该器件提供非常稳定,精确的输出电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCV8720具有低IQ消耗。 NCV8720采用WDFN6 2 mm x 2 mm封装,可润湿侧面选项可用于增强光学检测。 类似产品: NCV8130 NCV8133 NCV8135 NCV8720 输出电流(A) 0.30 0.50 0.50 0.35 PSRR f = 1 kHz(dB) 65 70 73 65 压差电压(V) 0.075 0.140 0.053 0.110 Wettable Flank 否 否 是 是 特性 优势 Typ的超低压降。 110 mV 允许节省功耗,并以非常低的Vin-Vout电压工作。 固定输出电压选项从0.8 V到2.1 V 低压Vcore应用的最佳选择 典型的110 mV压降完整的350 mA负载。 最大限度地减少调节器的功率损耗 保证输出电流从0 mA到350 mA 高电流应用的最佳选择 0.5%典型输出电压精度 非常适合POL应用程序 输出电流超过350 mA 应用 终端产品 Automot ive 电池供电...
发表于 07-29 23:02 ? 85次 阅读
NCV8720 LDO稳压器 350 mA 超低压降 高PSRR 带偏置轨

NCV8187 1.2A LDO稳压器 低压差 低噪声 电源良好输出

7是一款1.2 A LDO稳压器,具有低静态电流消耗(在整个温度范围内典型值为30μA),低压差,低输出噪声和非常好的PSRR。该稳压器集成了多种保护功能,如热关断,软启动,限流以及电源良好输出信号,便于MCU接口。 特性 优势 Low Vin 1.5 V 适用于DCDC的1.8V电压轨 超低噪声15μV rms 非常适合噪声敏感应用 1 kHz时PSRR高达75 dB 高功率输入纹波抑制,非常适合功耗敏感器件 低V out 从0.8 V 适用于低压申请 电力良好信号 Perfe ct用于铁路监测和/或排序 提供DFN6 2x2 mm和DFN8 3x3mm封装 可润湿侧面(针边电镀)改善热阻 150C工作结温 通过扩展实现更高的功率温度 应用 终端产品 RF,PLL,VCO和时钟电源 图像传感器电源 负载点 通信系统和信息娱乐 RF收发器 摄像头模块 Internet连接共享(ICS)网关服务器应用程序 MQB模块化架构 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 23:02 ? 134次 阅读
NCV8187 1.2A LDO稳压器 低压差 低噪声 电源良好输出

NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能

5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线路和负载的高精度(25℃时+/- 0.9%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 22:02 ? 44次 阅读
NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能

NCV8165 LDO稳压器 500 mA 低压差 超低Iq 超高PSRR 超低噪声

5是一款LDO(低压降稳压器),能够提供500 mA输出电流。 NCV8165器件旨在满足RF和模拟电路的要求,具有低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。提供DFNW8 0.65P,3 mm x 3 mm x 0.9 mm封装。 类似产品: NCV8160 NCV8161 NCV8163 NCV8165 输出电流(A) 0.25 0.45 0.25 0.50 PSRR f = 1 kHz(dB) 98 98 92 85 噪音(μV RMS ) 10 10 6.5 8.5 特性 优势 超高PSRR在1 kHz时为85dB,在100 kHz时为63dB 非常适用于Wi-Fi模块等功耗敏感设备 超低输出噪声8.5μV RMS 非常好适用于噪声敏感应用 超低静态电流12μA 在轻载条件下提高效率 工作输入电压范围1.9V至5.5V 适用于电池供电设备 极低压差200mV,500mA 满载时的低功耗 应用 终端产品 A / D和D / A转换器电源 音频编解码器 电池供电设备 相机模块 RF模块 WiGig电源 LP5907或LP5912升级 汽车设备点负载调节 信息娱乐,车身控制和导航 远...
发表于 07-29 22:02 ? 147次 阅读
NCV8165 LDO稳压器 500 mA 低压差 超低Iq 超高PSRR 超低噪声

NCP139 LDO稳压器 1 A 超低压降 带偏置轨

是1 A LDO,配有NMOS passtransistor和独立的偏置电源电压(VBIAS)。该器件提供非常稳定,精确的输出电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCP139具有低IQ消耗。 WLCSP6 1.2 mm x 0.8 mmpackage经过优化,适用于空间受限的应用。 类似产品: NCP13x系列 NCP130 NCP133 NCP134 NCP135 NCP137 NCP139 输出电流(A) 0.3 0.5 0.5 0.5 0.7 PSRR f = 1kHz(dB) 70 70 td> 60 压差电压(V) 0.060 0.090 0.090 0.053 0.060 0.060 特性 优势 超低压降典型的。 40mV 允许节省功率并以非常低的Vin-Vout电压工作。 可调电压版本 低压Vcore应用的最佳选择 在1 A负载下典型的50 mV压降。 最大限度地减少调节器的功率损失 保证输出电流从0到1 非常好的选择用于高电流应用 0.5%典型输出电压精度 非常适合POL应用 输出超过1 A的电流 输出有效可用的放电选项 应用 终端产品 电池供电和便携式设备 智能手机,...
发表于 07-29 22:02 ? 132次 阅读
NCP139 LDO稳压器 1 A 超低压降 带偏置轨

NCP161 LDO稳压器 450 mA 超高PSRR 超低噪声

是一款线性稳压器,能够提供450 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:
发表于 07-29 21:02 ? 119次 阅读
NCP161 LDO稳压器 450 mA 超高PSRR 超低噪声

LV5768V-A 降压稳压器 开关 1通道

V-A是一个1通道降压型开关稳压器。 特性 优势 不受负载影响的软启动电路。 电源电路稳定运行。 频率FOLD BACK为负时下垂。 过流保护 内置逐脉冲OCP电路。通过使用外部MOS的导通电阻来检测。 过流保护 开启/关闭功能(启用控制) 可在外部启用控制 同步整流的1通道降压型开关稳压控制器方法 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 21:02 ? 118次 阅读
LV5768V-A 降压稳压器 开关 1通道

NCP81274 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

74是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位接通,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 47次 阅读
NCP81274 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

76是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达4个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 20:02 ? 80次 阅读
NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 19:02 ? 136次 阅读
LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 ? 135次 阅读
NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 ? 58次 阅读
NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor??e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 18:02 ? 76次 阅读
NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor??e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 17:02 ? 53次 阅读
NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口
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