一种太阳能电荷泵供电电路的方案设计

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本文讨论了一种围绕无感式 DC/DC 变换器和太阳能电池构成的3.3 V 电源电路本文讨论了一种围绕无感式 DC/DC 变换器和太阳能电池构成的3.3 V 电源电路。
我最近设计了一个电路板，让我有机会探索太阳能在嵌入式设备中的应用。我的想法如下: 我想要一个参考设计，将作为一个非常紧凑，非常直接的方式使用环境光产生3.3 V 的微控制器为基础的嵌入式系统。我已经测试了足够的董事会，以确认它的工作，虽然它也有主要的限制。在本文中，我将重点介绍该板的示意图设计。
保持小规模我这个项目的总体目标是开发一种简单的方法，将太阳能融入小型低功耗设备，如可穿戴设备和物联网传感器。到目前为止，我所观察到的性能并没有给我留下太深刻的印象，但是整个解决方案的规模是相当不错的。主要部件为7mm × 22mm 单晶太阳能电池(p/n KXOB22-01X8F)和微型电荷泵 DC/DC 转换器(p/n LTC3204EDC-3.3)。
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9 I0 L4 F' a: Q, V  o图片由 Digi-Key 提供
除了太阳能电池和电荷泵之外，你所需要的就是电容: 一个输入电容、一个电荷泵电路的电容和一个输出电容。很高兴知道，你可以把太阳光转换成一个稳定的3.3 V 电源只有一个太阳能电池，一个微型六针集成电路，和三个电容器。更好的是，所有三个电容器可以是相同的价值，这使订购零件和组装电路板更简单一点。
# y4 l+ a8 r, A# g% A+ \$ F我的执行下面的示意图摘录显示了我设计的太阳能3.3 V 电源。我包括四个输出电容器，这使我能够添加和删除作为一种方式来实验的影响，更高或更低的输出电容。如上所述，虽然，只有一个输出电容器(最低2μF)是必需的。
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7 a+ K& D' `4 E8 S. F正如您所看到的，很难与这种方法的简单性竞争。BOM 有三个行项目，并且相互连接非常简单。所有的电容器可以表面贴装陶瓷类型; 我推荐 X7R。最困难的部分是安装 LTC3204，这不仅是微小的，而且是一个无引线软件包与热垫。在我的热风枪和一些低温铋基焊膏的帮助下，我能够很容易地完成它。
0 R8 F- J( |3 m* y5 S: H! }# d& _限制在我说任何关于这个设计的积极的事情之前，让我们回顾一下消极的方面:


$ A$ v9 D  c7 J3 X2 ~0 y5 M    它没有超级电容器或电池，换句话说，它没有长期储存能量的方法。这是一个“在阳光照耀下工作”的装置。
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. t! m8 B9 i2 }" Q8 @    电荷泵集成电路只有在太阳能电池暴露在全太阳下时才能达到适当的调节。这是一个意想不到的限制，我将在接下来的项目文章中进一步探讨。底线，就我所知，是只有充分的太阳能产生足够的太阳能电池电流，以充分供应所需的输入电流的 LTC3204。

8 F$ |, I- e2 _# S    即使在全日照条件下，可用的输出电流也相当低。太阳能电池的最大容量为4.4毫安，这对于高速微控制器的运行来说是不够的，而且我猜射频通信也不太可行。
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8 O5 I% g% w4 A! q) j8 Z重案组我的电路板不仅包括太阳能充电泵电源，还包括一个微控制器电路:
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& n+ a* m) I6 \3 |4 }! [    微控制器是来自硅实验室的 EFM8瞌睡蜂。在32.768 kHz 的工作频率下，它只需要90μA 的电源电流。
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    一个开关允许我从太阳能电池电路或从硅实验室 USB 调试适配器为微控制器供电。调试适配器提供5伏，所以你需要一个 LDO (瞌睡蜂的 VDD 范围是1.8-3.6伏)。

  s, D+ F, ^0 ^  I3 D; j    32.768 kHz 的晶体使我能够实现低电流消耗和高精度的实时时钟应用。不需要电容器; 直接将晶体连接到 XTAL3和 XTAL4引脚，然后通过固件配置负载电容。
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% J- Z. t6 z- z1 _3 z电荷泵LTC3204有四种风格: (固定)输出电压可以是3.3 V 或5 V，部件可以在突发模式或恒频模式下工作(没有“模式选择”引脚; 你必须指定与所需模式相对应的部件号)。我选择了突发模式。我不确定这在太阳能方面是否有明显的好处，但是在突发模式下“空载输入电流”要低得多，考虑到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点。
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4 ]4 ^) j, ^1 I" T% x0 c! L1 t8 |取自 LTC3204数据表。带有“ B”后缀的零件编号是非突发模式的版本LTC3204保持稳定的3.3 V 输出，输入电压从1.8 V 到4.5 V; 这使得它与 KXOB22-01X8F 太阳能电池相当匹配:

太阳能电池的电压可以高达4.7 V，严格来说超出了 LTC3204的输入范围。然而，绝对最大输入电压是6伏，所以太阳能电池的电压永远不会超过甚至接近绝对最大，我怀疑4.7伏的输入会造成任何问题。
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结论我们已经看到了一个太阳能驱动的微控制器板的原理图设计，它使用一个简单，紧凑的电荷泵集成电路产生一个可调节的3.3 V 电力轨道。这是一个小型且相当廉价的解决方案，可以被整合到各种低功耗设备中。它有很大的局限性，虽然，我目前有计划的修改设计，需要更多的 PCB 房地产，但作为交换，提供更高的性能和更容易组装。

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