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日志

TI:新一代能量采集技术 开启微能量的逆袭

张静  发布于:2013-11-29

——德州仪器(TI)电池管理市场及应用经理文司华先生访谈


      2013年11月21日,全球领先的半导体厂商德州仪器(TI)在北京隆重举行了关于可高效提取和管理从光源、热源或机械能源采集的微瓦 (uW) 至毫瓦 (mW) 级能量的最新一代电源管理集成电路的新品发布会。该类电源管理集成芯片的成功发布,标志着微能量收集技术的重大突破,也预示着“无电池”、“半永久续航”研究向实现和普及又迈进了一大步。
       中国自动化网(ca800.com)作为中国工业控制及自动化领域的领先媒体,也应邀出席了此次极其重要的新品发布会。

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看好微能量采集市场 五款重量级新品齐发
      据美国Innovative Research and Products (iRAP)公司的调查显示,从2009年开始,微能量收集市场一直保持每年73%的高增长率,预计到2014年,整个微型能量收集的市场规模将达到12.54亿美元。
      面对如此广阔的市场,TI此次一下推出了 bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 与 TPS62736 一共5五款可高效提取和管理从光源、热源或机械能源采集的微瓦 (uW) 至毫瓦 (mW) 级电源的最新一代电源管理集成电路。他们可支持业界最低工作静态电流,可为无线传感器网络、监控系统、可穿戴式医疗设备、移动附件等难以获得供电的应用实现无电池工作。
      这五款芯片各有各的优势:其中,bq25570 可支持最大功率点跟踪 (MPPT),可从光伏电池和热电发生器提取和管理电源,支持任何能源存储元件,例如可充电式锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或常规电容器等。在长期存储期间,bq25570 供电可通过“运送模式 (ship mode)”特性禁用,使其流耗不足 5 nA。而bq25505 采用独特的自动功率多路复用器栅极驱动器,可通过能量采集电源与原电池实现无缝系统工作,在能量采集器不提供电能时,也能提供恒定电源,从而满足系统工作需要。并且,bq25505可以实现330mV的冷启动。TPS62740是TI 针对 300mA 输出电流设计方案推出了最小、最低功耗的降压转换器。TPS62740 的集成型负载开关还可为 LED 或传感器等临时使用组件节省电源。以及针对200mA 设计方案的最新 TPS62737 转换器以及针对 50mA 设计方案的 TPS62736。
      TI 正在通过创新产品以最高效率及最低功耗从环境源提取和管理能源,将低功耗设计推向新高。

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挑战nA级 超低静态电流
      事实上,微能量采集并不是一个全新的概念,它之所以一直没有被真正的广泛应用的最大原因是其能量采集端所能收集到的能量与其实际能够推动的能量消耗端所消耗的能量之间一直处于不平衡的状态,简单点说也就是之前的技术采集的能量不够用。
      目前,微能量主要是指:太阳能10-10000μW/c㎡;热能25-1000μW/c㎡;振动50-250μW/c㎡;RF 0.01-0.1μW/c㎡,如此微弱的能量,对能量收集技术提出了极大的挑战。德州仪器(TI)电池管理市场及应用经理文司华先生表示:“一般的DC/DC转换器输入电压最少也是几伏,输入电流也得是1A。对于输入电流在50mA以下、输入电压在1.8V以下的就很难收集,而且,也很难找到与之匹配的收集芯片了。然而,微能量采集时,其输入电压通常不足1V、输入电流仅是mA级或μA级的,这无疑对能量收集芯片的设计提出了一个巨大的挑战——即芯片的IQ自耗电电流必须要非常小。”普通的芯片中,DC/DC转换时,1—10mA自功耗是常见的,在Standby的情况下几十个μA到100μA,在关机情况下1—2个μA都算是做得不错的,但,这对微能量采集来说是远远不够的。文司华先生表示:“微能量采集的时候,假使功耗电流就1μA,而进来的电流在能达到2μA的情况下,能效挺多才50%,但这样采集到的能量肯定是不够给末端的产品供电。面对这个挑战TI做了包括拓扑结构和芯片设计等多方面的研究,成功的解决了该难题,其本次推出的 bq25570 升压充电器静态流耗极低,仅为488 毫微安 (nA);而bq25505 升压充电器工作静态电流更是低至 325nA 。”

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关键在于效率  10μA效率90%
      微能量采集与应用解决了自身低功耗的问题,并不是解决了一切。想要将收集到的微能量真正排上用场,则必须大幅的提高效率。通常一个DC/DC 转换器轻载的情况下效率都比较低,10mA的情况下一般也就50%、60%的效率,只有在重载或常载的情况下,比如300、500mA才会出现80%或90%的效率,这对于微能量采集利用是不可行的,要想真正可利用,则必须大幅提高低电流下的效率。而TI此次推出的微能量采集芯片最令人惊喜的也正是其能“实现在10μA下支持超过90%的效率”的这一点。
      为了更好的展示芯片的该优势,则文司华先生通过芯片的效率曲线图做了详细的解释。通过曲线图,可以看出在采集多串电池太阳能时,1.4V、1.6V或者2V的输入电压可以实现90%的效率;而在采集单电池太阳能时,0.6、0.8V的输入电压下也可以实现80%以上的效果。哪怕是在采集短时间间隔的TEG时,0.2V或0.15V的输入电压下也可实现60%-70%的工作效率。与通常的输入电压小于2.5V效率就远远低于50%形成了鲜明的对比。

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应用前景无限大 微能量的逆袭
    随着科技与时代的发展,人们对于“无电池”、“半永久续航”的需求越来越迫切,优秀的微能量采集解决方案将有着巨大的发展前景。
      文司华先生表示:“微能量收集在欧洲已经有了一些成功的应用。比如:欧洲一些百货公司已经开始利用可采集日光灯照射能量的电子标签来取代纸质标签,该类电子标签的能量补给主要依靠商场中的日光灯,可长时间显示、功耗低,并可通过远程进行智能的信息更新,该方案已经在欧洲量产,它不仅节能环保,而且,有效保证了信息的统一和准确性。”
      同样,在远程安全监控方面的一样有着巨大的应用前景,比如桥梁的安全监控,现在对桥梁进行实时监控的方式之一就是将传感器安放在桥梁上,在桥梁上布电源线是非常不方便的,传感器必须选用无线的,按照现在的方式只能在传感器内部放一颗电池,当电池电量耗完后,必须有人到桥梁更换电池,但,很多时候,桥梁上更换电池是很难实现。类似这种情况,只有通过微能量采集解决方案才能为实现远程监控的“半永久”化。
     除了上述所举的例子,智能家具、可穿戴设备、医疗植入设备、远程监控传感器等任何用到电池的地方,都可以考虑用TI的微能量采集解决方案来替换掉传统能源。


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