无线开关电源参考设计的能量采集方法（无线开关电源参考设计的能量采集原理）

为了充分发挥工业4.0 的潜力，工厂和设备需要配备传感器。

传感器的数量如此之多，以至于有线安装设备被禁用，因此WirelessHART 和即将推出的蓝牙低功耗网络等无线技术成为立即考虑的因素。然而，这些传感器的电池更换成本往往被低估。

通过监测的信号来驱动传感器是一种可扩展的解决方案，无需使用电池。例如，位置或接近传感器由它们正在监控的实际运动供电，这使系统能够达到最高水平的可预测性和鲁棒性。

TI 的参考设计“无线开关电源能量收集参考设计”为能量收集开关提供了电源管理解决方案（图1）。能量收集开关的构造类似于线性发电机，将机械能转换为电能。该参考设计收集这种电能，为阀门或其他机械执行器以及用于启动和停止机器的紧急开关和控制器提供无线位置控制。

图1：无线开关电源的能量收集参考设计

参考设计的应用包括工厂自动化和过程控制，以及楼宇自动化和非工业领域。当需要更低的维护和安装成本、更长的系统正常运行时间和更大的灵活性，并且布线不可行时，您可以使用此类解决方案。此外，由于设计固有的低功耗运行，它是隔爆应用的最佳解决方案，避免使用成本高昂的保护方法。

在设计能量收集电路时，无论负载是否具有可在多个系统中重复使用的灵活设计，提取最大能量都是一个挑战。

电力系统可以是具有固定输出阻抗的发电机，因此理论上，要提取最大能量，只需源阻抗与负载匹配即可。然而，对于动态行为负载，这是不可能的。

一种替代方案是缓冲能量。它充当有源负载的恒定电源。因此，面临的挑战是能够从发电机中提取尽可能多的能量而不将其暴露在恒定负载下。应考虑两个主要事项：

通过尽可能长时间地保留输入电容器的DC/DC 电荷，一旦发电机的输出电压低于输入电容器的电压，就不再提取能量。

通过尽快启动DC/DC，发电机可以尽可能接近其短路工作点，同时也尽可能远离其最大功率点。

需要记住的另一个设计考虑因素是发生器将产生两个脉冲：每次完全驱动（推动和释放）时产生一个正脉冲和一个负脉冲。该参考设计通过负波整流提取最大能量。

对于整流，有两种可能的选择：全波整流器或倍压器。该参考设计采用倍压器（参见图2）选项有两个原因：

与全波整流器相比，倍压器的损耗只有二极管的一半，因此整体效率得到提高。

当DC/DC 达到欠压锁定(UVLO) 时，电容器中剩余的能量可被视为损失。全波整流器通常就是这种情况。使用倍压器，第二波会将电容器充电到UVLO 电平以上，因此完全可用。

最后，通过反复试验对作为UVLO 电压函数的输入端子值进行优化，目标是最大化实际DC/DC 的工作时间（即在输出端提供有效电压的时间）。

图2：如何从能量收集开关提取最大能量

该参考设计可轻松连接到SimpleLink CC2650 无线MCU LaunchPad 套件，通过CC2650 传输无线数据，并通过板上的TPS62122 或TPS62125 供电。

该参考设计在三个包含8 字节数据的独立通道上发出不可连接的广告数据包。

此设计可能是您释放智能工厂全部潜力的第一步。查看设计页面上的原理图、布局和测试数据。

审稿编辑：郭婷