太阳能电荷泵供电线路方案设计

本文讨论了基于无感应器直流/直流转换器和太阳能电池搭建的3.3V供电线路。

 

相关信息

 

在没有感应器的情况下进行增压和转换:电荷泵电力供应

电路设计者针对用于太阳能设备的光伏电池指南

为太阳能设备选择并应用光伏电池

 

我近期设计了一个电路板,藉此机会钻研了一下太阳能在嵌入式设备中的应用。我的思路如下:我想完成一个参考设计,采用环境光源,通过非常紧凑和非常直接的方式来为一个基于微控制器的嵌入式系统产生3.3V的电力。我对电路板进行了充分测试,以验证其确实可行,尽管也存在一些重大的局限性。在本文中,我将重点介绍电路板的原理图设计。

 

保持体积紧凑

 

我对于本项目的总体目标是,设计一个简单的方法将太阳能整合进入可穿戴设备和物联网传感器等小型低功率设备之中。到目前为止,我对于所观测到的性能不是特别满意,不过总体解决方案的元件尺寸还是不错的。主要元件包括一个7mm x22mm的单晶太阳能电池(p/n KXOB22-01X8F)和一个微型电荷泵直流/直流转换器(p/n LTC3204EDC-3.3)。

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

图片来源于本数据表。

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

图片由Digi-Key提供。

 

除了太阳能电池和电荷泵外您只需要电容:一个输入电容、一个用于电荷泵电路系统的电容以及一个输出电容。好消息是,您可以通过一个太阳能电池、一个微型6引脚集成电路以三个电容器将日光转化为稳定的3.3V电源。更加令人欣喜的是,所需的三个电容器的电容值可以是相同的;这使得部件订购和电路板组装变得更加轻松。

 

我的具体实施

 

下面的原理图片段显示的是我设计的3.3V太阳能电池电源。我采用了四个输出电容器;这使我能够增加或减少电容,并通过这个方法对较高或较低输出电容的影响进行试验。如我上面曾提及的,只需要一个输出电容器(最小电容值为2µF)。

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

您可以看到,这种简易的方法是非常有竞争力的。物料清单包括三个单项产品,同时它们之间的相互连接是非常直接的。所有电容器均可以是表面安装的陶瓷电容器;我推荐X7R。其中难度最大的工作是安装LTC3204,这个部件不仅非常小,而且是一个带有导热垫片的无引线套件。我使用了热气喷枪和一些低温铋基焊膏来完成这项工作,感觉难度不算太大。

 

局限性

 

在我介绍本设计的任何其他优势之前,我们先来回顾一下其不足之处:

 

本设计不包含超级电容器或者电池;换句话说,本设计未提供长期能源存储的方法。这种设备“只有在阳光照射的情况下才能运转”。

 

电荷泵集成电路仅在太阳能电池接受全日照的时候才能达到适当的恒定。这种限制是意料之外的,我将在之后的项目文章中进行进一步的探究。我所了解的最基本情况是,只有全日照所产生的太阳能电池电流可足以充分供应LTC3204所要求的输入电流。

 

即便在全日照情况下,可获得的输出电流也是相当低的。太阳能电池的最大输出电流可达4.4mA,确实不足以用于高速微控制器运行,我猜想射频通信也不太可行。

 

微程序控制器

 

我的电路板不仅包括太阳能电荷泵供电,还包括一个微控制器电路:

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

点击放大。

 

微控制器是Silicon Labs的EFM8 Sleepy Bee。在以32.768 kHz的频率运行时,它仅需要90 µA的电源电流。

 

通过操作开关,我可以利用太阳能电池电路或者Silicon Labs的USB调试适配器为微控制器供电。调试适配器提供的电压为5V,所以您需要一个低压差线性稳压器(Sleepy Bee的VDD范围为1.8-3.6V)。

 

32.768kHZ的硅晶可以使我同时实现较低的电流消耗以及用于实时时钟应用的高精度。不需要电容器;您可以将硅晶直接与XTAL3和XTAL4引脚连接,然后通过固件设置负载电容。

 

电荷泵

 

LTC3204有四种类型:(固定)输出电压可以是3.3V或5V,该部件可以突发模式或恒频模式运行(没有“模式选择”引脚;您必须确定与所需模式相对应的产品型号)。我个人选择突发模式。我不确定在太阳能的情况下,这是否会获得显著的优势,但是在突发模式下,“空载输入电流”要低许多。鉴于我的太阳能电池板的输出电流限制,这似乎是一个有益的特性。

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

源自LTC3204数据表。后缀带“B”的产品型号是用于非突发模式的型号,这相当令人迷惑。

 

LTC3204保持着稳定的3.3V输出电压,其输入电压在1.8V至4.5V之间;这使它与KXOB22-01X8F太阳能电池相当匹配:

 太阳能电荷泵供电线路方案设计

上图来源于本数据表。

 

太阳能电池的电压可高达4.7V,这从严格意义上讲是超出LTC3204的输入电压范围的。不过,绝对最大输入电压为6V,所以太阳能电池的电压永远不会超过或者甚至接近绝对最大电压值,因而我对4.7V输入电压会产生问题这种说法持怀疑态度。

 

结论

 

我们刚看过了太阳能微控制器电路板的原理图设计,该设计采用简单、紧凑的电荷泵集成电路来产生稳定的3.3V电源轨。这是一个成本相对低廉的小型解决方案,可以整合进入各种不同的低功率设备之中。不过,这种方案也具备明显的局限性,目前我计划对设计进行修正,这需要增加印刷电路板的面积,但是作为回报,也会提高性能和组装便利性。

 

  • 太阳能电荷泵供电线路方案设计已关闭评论
    A+
发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计