深入理解能量转换器工作原理及其如何提供能源

精密的电池供电型电子系统和自供电设备，在现有自主手持设备领域延伸出一些不同的应用。CMOS 处理技术和电路技术方面取得的巨大进步，降低了电路的功耗，使得新型自主供电系统成为可能。这些进步带来大量新兴应用，例如：无线微传感器网络、可穿戴医疗电子设备、工业及家庭自动化传感器和电子货架标签。理想情况下，这些系统都可以在没有电池的情况下正常工作。但是，当要求使用电池时，我们仍然需要尽力延长电池使用时间，这样系统便可在其寿命周期内无需更换电池。理解能量转换器工作原理以及如何使用它来提供能源，是达到上述目标的基本要求。

自供电系统要求有一个能量来源，以在其寿命周期内维持正常的工作。根据不同的能量来源，可将商用能量转换器分为如下四类：

1）光：太阳能电池由 p-n 晶体阵列组成，利用光伏效应工作。
2）热：利用热电组件采集环境热能。
3）振动：振动能量采集器通过电磁或者压电方法利用振动机械能，从而产生电能。
4）无线电波：无线电波能量采集方法使用定向解决方案时较为有效，但在使用环境能量时现实实现并无太多有用的功率。

表 1 能量采集器的典型输出功率

表 1 显示了来自不同能量转换器的典型功率级别以及采集器的重要考虑因素。在一般情况下，大多数采集器都可以提供 ~10-50 µW/cm2 左右的平均功率。所获功率的大小与采集器面积有关，并严重依赖于采集器的可用空间。利用一个太阳能电池例子，我们可以描述出采集器的一些特性。太阳能电池可以建模为一个与二极管并联的电流源，如图 1 所示。分流电阻对漏电建模，而串联电阻对接触电池电阻建模。

图 1 光伏电池及其特性曲线的电气模型

当光线照在太阳能电池上时，电池产生一个流过输出端的电流 IPH。电池为开路时，该电流在输出端形成电压 VOC。在开路和短路两种极端情况之间，电池产生功率。图 1 中，红色曲线表示太阳能电池的电流对比电压特性。照度增加，短路电流增加，并对电池开路电压产生微弱影响。从太阳能电池获得的功率在某个特定的电压下达到最大，然后在该电压任意一端逐渐下降。这就是电池的最大功率点。它与入射光及其他环境因素有关，例如：温度等。由于其高阻抗特性，其他转换器都具有类似的最大功率点 (MPP) 特性。因此，如何选择一种电源管理解决方案，让其能够工作在 MPP 下，是我们需要考虑一个的关键因素。