无线开关电源参考设计的能量采集

为了充分发挥工业4.0的潜力，工厂和设备需要安装传感器。

传感器的数量如此之多，使得有线安装设备禁用，因此无线技术（如无线HART和即将推出的Bluetooth®低能量网络）成为直接的考虑因素。然而，这些传感器的电池更换的成本通常被低估。

不用使用电池，从传感器正监测的信号驱动传感器是可扩展性的解决方案。例如，位置或接近传感器由它们正在监视的实际运动提供动力，这使得系统能够达到可预测性和鲁棒性的最高水平。

TI的参考设计，即无线开关电源参考设计的能量采集，为能量采集开关（图1）提供电源管理解决方案。能量采集开关的构造类似于一个线性发电机，将机械能转换为电能。参考设计采集该电能，以对阀或其它机械致动器，及用于机器启动和停止的紧急开关和控制器进行无线位置控制。

图1：无线开关电源的能量采集参考设计

参考设计的应用范围包括工厂自动化和过程控制，及建筑自动化和非工业领域。当需要更低的维护和安装成本、更高的系统运行时间和更高的灵活性，且认为接线不可行时，您可以使用此类型的解决方案。此外，由于设计固有的低功率操作特性，它是隔爆应用的最佳解决方案，避免使用成本过高的保护方法。

当设计能量采量电路时，不管负载是否在多个系统中具有重复使用的灵活设计，提取最大能量是一个挑战。

电动系统可以是具有固定输出阻抗的发电机，因此从理论上讲，为了提取最大能量，只需要将源阻抗与负载匹配。然而，对于动态行为负载，这不可能实现。

一种替代方案是缓冲能量。它可作为对有源负载的恒定电源供给。因此，挑战是能够在不暴露恒定负载的条件下，从发电机提取尽可能多的能量。应该考虑两个主要事情：

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

通过使DC / DC尽快启动，发电机尽可能靠近其短路工作点运行，这也远离其最大功率点。

要记住的另一设计考虑是发生器将产生两个脉冲：针对每个完全致动（推动和释放），一个为正，一个为负。参考设计通过负波整流提取最大能量。

对于整流，有两种可能选择：全波整流或倍压器。参考设计遵循倍压器（参见图2）选项，有两个原因：

与全波整流器相比，倍压器的损耗仅为二极管的一半，因此整体效率得以提高。

当DC / DC达到欠压闭锁（UVLO）时，电容中留下的能量可以视为损耗。对于全波整流器，情况通常如此。利用倍压器，第二波将高于UVLO电平对电容充电，并且因此可完全被使用。

最后，通过反复实验优化作为UVLO电压的函数的输入端值，以实际DC / DC的运行时间最大化（即，在其输出端提供有效电压的时间）的目标。

图2：如何从能量采集开关提取最大能量

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，并通过电路板上的TPS62122或TPS62125供电。

参考设计在包含8字节数据的三个独立通道上发出不可连接的通告数据包。

这个设计可能是您采取的第一步措施，以充分释放智能工厂的潜力。看看设计页面上的原理图、布局和测试数据。

审核编辑：郭婷