DC/DC преобразователь запускается от единственного фотогальванического элемента

Среди предназначенных для сбора энергии приборов своими уникальными возможностями выделяется производимая Texas Instruments микросхема bq25504. Ее характерной особенностью является сверхнизкое напряжение холодного старта. Справочные данные гарантируют, что устройство может запускаться при напряжении питания 450 мВ, причем типовое значение этого порога еще ниже – 330 мВ. Добавив к микросхеме индуктивность и несколько резисторов и конденсаторов, можно сделать DC/DC преобразователь с беспрецедентной эффективностью, особенно в области сверхмалых мощностей.

Технических подробностей, касающихся этой микросхемы, изготовитель не раскрывает. Возможно, что столь замечательные характеристики прибора объясняются использованием внутреннего генератора на МОП-транзисторах с субмикронной шириной канала. Как известно, чем уже канал МОП транзистора, тем ниже пороговое напряжение затвор-исток. Можно предположить, что пороговое напряжение транзисторов, из которых сформирован внутренний генератор bq25504, имеет порядок 200 мВ.

Рисунок 1.	Используя равное 2/3:1 соотношение напряжений VBAT_UV и VBAT_OV, во многих приложениях можно сэкономить, по крайней мере, два прецизионных резистора.

Показанная на Рисунке 1 схема несколько отличается от типовой схемы включения, приведенной в справочных данных на bq25504. Опорное напряжение V_{BAT_OV} (порог отключения при повышенном входном напряжении) внутренне умножается на 3/2 относительно опорного напряжения V_{BAT_UV} (порог отключения при пониженном входном напряжении). Если вас устраивает ограничение напряжения батареи диапазоном от V_{BAT_UV} до (3/2)×V_{BAT_UV}, входы V_{BAT_UV} и V_{BAT_OV} можно включить так, как показано на схеме, используя единственный резистивный делитель для двух входов, вместо отдельного делителя на каждый вход.

Это позволяет не только сэкономить на компонентах, но и, не ухудшив общей эффективности схемы, выбрать резисторы с меньшим суммарным сопротивлением R_UV1 + R_UV2 = 4.67 МОм. В результате улучшится помехозащищенность входов V_{BAT_UV} и V_{BAT_OV}.

С помощью микросхемы bq25504 можно забирать от входного источника максимально возможную мощность. Из-за своего нелинейного характера фотогальванический элемент отдает наибольшую мощность при напряжении, составляющем примерно 80% от напряжения холостого хода. Соответствующую рабочую точку фотоэлемента PD задают резисторы R_OC1 и R_OC2. Эта микросхема даже может корректировать положение рабочей точки, отслеживая медленные изменения параметров источника.

Были проведены эксперименты с использованием солнечного элемента диаметром 7.5 см, расположенного горизонтально на поверхности стола в одном метре от окна. Несмотря на то, что за окном был солнечный день, через окно прямые солнечные лучи практически не проходили. В этих условиях измеренный ток короткого замыкания солнечного элемента равнялся 16.27 мА. Заметим, что при прямой ориентации фотоэлемента на солнце ток достигал 300 мА. При отсутствии нагрузки преобразователя выходные напряжения V_BAT и V_STOR менялось от 4.396 В до 4.404 В. Эта вариация в 0.1% может быть связана с тем, что для компенсации саморазряда конденсаторов C_BAT и C_STOR повышающий преобразователь работает в прерывистом режиме, сравнительно долгое время оставаясь в выключенном состоянии. Напряжение на выводах солнечного элемента в отсутствие нагрузки преобразователя равнялось 0.441 В.

После того, как к выходу V_BAT был подключен нагрузочный резистор 10 кОм, «флуктуации» V_BAT и V_STOR исчезли, и оба напряжения стали равными 4.4 В. Постоянная составляющая входного напряжения упала до 0.4073 В. Дополнительно затенив солнечный элемент металлической пластиной, я сумел получить рабочую точку, в которой выходное напряжение по прежнему равнялось 4.4 В, в то время, как среднее значение напряжение на контактах фотоэлемента снизилось до 0.336 В. Вероятно, в этой точке преобразователь перешел в режим непрерывной проводимости. (Отметим, что хотя в справочных данных на bq25504 V_STOR обозначен, как вывод для подключения нагрузки, в нашем случае в качестве выхода используется V_BAT, поскольку даже низкое выходное напряжение зачастую лучше, чем полное отсутствие энергии).