使用先進的能量收集器集成電路從環(huán)境源收集納瓦到毫瓦

在能量收集的背景下，先進的電源管理集成電路 （PMIC） 的功能類似于公用事業(yè)公司，因為它控制環(huán)境電源向下游電子設備的輸送。根據(jù)五個重要標準正確選擇 PMIC 可以讓系統(tǒng)設計人員增加系統(tǒng)電池或創(chuàng)建自供電系統(tǒng)。

能量收集器是一種電源。它通過吸收存在于環(huán)境源中的能量，然后將吸收的能量呈現(xiàn)在其輸出端，以供下游電子設備使用。收集器的一些常見示例是表現(xiàn)出光伏效應（太陽能電池）和熱電效應（熱電發(fā)電機）的硅器件。前者通過轉(zhuǎn)換入射光能產(chǎn)生電壓來充當電源；后者將溫差（熱能）轉(zhuǎn)換為電壓。

在這兩種情況下，當電源連接到電氣負載時，電流就會流動，因此電力會從環(huán)境電源傳輸?shù)竭\行中的設備。太陽能電池和熱發(fā)電機 （TEG） 可以比作電池。兩者都沒有移動部件，并且可以為運行電子設備提供電力。然而，一些收割機，如擁有 1000 年歷史的風車或其現(xiàn)代版本——風力渦輪機——確實有活動部件。其他基于壓電或電磁效應的也有運動部件。壓電采集器是一種采集運動的硅基設備。它們將動能轉(zhuǎn)化為電能。

雖然收集器是能量收集難題的重要組成部分，但在大多數(shù)情況下，它不能單獨運行。另一塊硅片，即功率調(diào)節(jié) IC，至關重要。這種功率調(diào)節(jié) IC 也稱為能量收集 PMIC，是收集器本身與下游電子設備之間的關鍵鏈接。PMIC 的功能類似于看門人或公用事業(yè)公司，因為它控制向用戶輸送環(huán)境電力。

能量收集 PMIC

與只能在有限時間內(nèi)提供電力的電池不同，收割機可以提供永恒的電力——或者至少可以提供很長一段時間，可以衡量幾年甚至幾十年。許多收割機的一個缺點是它們是一種非常弱或低能量的來源。弱能源將無法滿足當今高耗電應用的需求。一些收集器間歇性地提供能量（大多數(shù)太陽能電池不會在低光照條件下運行，例如在黑暗中）。PMIC 的作用是接收微弱的間歇性能量，并將這種能量調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)化為可用的形式。

一個有效的能量收集 IC 應該能夠執(zhí)行以下重要功能：

為收割機提供必要的電氣接口，以確保在給定環(huán)境條件下實現(xiàn)最大功率傳輸。

在條件良好時接收收割機輸出的能量，并將此能量存儲在存儲設備中以備后用。

管理（控制）向電氣負載（通常是下游電子設備）的電力傳輸，同時確保來自負載的高能量需求不會使系統(tǒng)面臨突然斷電和導致系統(tǒng)故障的風險。

能夠僅使用較弱的采集器源來管理自己的啟動，以防系統(tǒng)的其余部分因存儲設備斷電而死機。

使用非常少的能量來保持自身運行，換句話說，最大限度地從采集器源到存儲元件的能量傳輸。當源非常弱時，這一點尤其重要。

現(xiàn)在讓我們回顧一下這五個功能中每個功能的重要方面。

最大功率點跟蹤

太陽能電池和 TEG 等收集器的激發(fā)源（分別為光和溫度）與其產(chǎn)生的功率之間存在復雜的關系。對于任何給定的外部條件，它們都有一個產(chǎn)生最大功率的工作點。能量收集 PMIC 的工作是“呈現(xiàn)”和“跟蹤”收集器的負載電阻，迫使其根據(jù)環(huán)境條件在最大功率點區(qū)域運行。隨著環(huán)境條件的變化（例如變得更亮或更暗），具有最大功率點跟蹤 （MPPT） 功能的能量收集 PMIC 將能夠進行調(diào)整，以便在所有條件下都獲得最大功率。

有幾種策略可以創(chuàng)建有效的 MPPT 方案。由于其簡單性和相對較高的精度，最常用的是開路電壓方案 （VOC）。在這種方法中，采集器的輸出電壓被調(diào)節(jié)到一個固定值，該值是周期性測量的“開路電壓”（在零負載電流條件下）的經(jīng)驗得出的比率。例如，大多數(shù)太陽能電池可以調(diào)節(jié)到其 VOC 的 75% 到 80% 以在其最大功率點區(qū)域運行。

在我們使用bq25570能量收集 PMIC 的示例中，可以使用外部電阻網(wǎng)絡輕松實現(xiàn) MPPT（圖 1）。

儲能管理

能量收集 PMIC 起著從收集器接收能量并將其存儲在存儲元件中以供以后按需使用的關鍵作用。大多數(shù)能量收集 PMIC 與各種存儲元件配合使用，例如傳統(tǒng)電容器、超級電容器、鋰離子 （Li-Ion） 可充電電池和薄膜電池。

由于大多數(shù)存儲元件都有充電上限和放電下限，因此準確管理這些和其他相關參數(shù)在能量收集系統(tǒng)中非常關鍵。諸如指示電池電量（或存儲元件）是“好”或“不好”的特征對于設計靈活的系統(tǒng)很重要。許多能量收集 PMIC 提供上述功能，為系統(tǒng)設計人員提供了設置外部電阻器的靈活性，以管理存儲元件的充電和放電水平以及“電池良好”水平設置（圖 2）。

管理向電氣負載的電力傳輸

為了系統(tǒng)的安全運行，存儲元件的“健康”用于確定何時可以施加或應該移除負載。通常，能量收集 PMIC 將監(jiān)控存儲元件上的電壓，以提供存儲元件是否良好的指示（信號）。

只要電壓不低于預定值，就可以施加負載并允許消耗功率。如果存儲元件的電壓低于該預定值，PMIC 可以向微處理器提供信號并采取一些預防措施。例如，可以減少占空比，或者只允許為某些“?；睢彪娐饭╇娨匝娱L電池壽命。

在圖 2 所示的系統(tǒng)中，這可以通過在穩(wěn)壓輸出引腳和負載之間使用開關來實現(xiàn)。微處理器可以根據(jù) VBAT_OK 信號的狀態(tài)打開或關閉開關。

管理自己的開機 - 冷啟動

當存儲元件完全耗盡并且系統(tǒng)沒有本地電源時，冷啟動電路對于系統(tǒng)運行至關重要。在這種情況下，能源管理 PMIC 必須依靠采集器來啟動。然而，如上所述，采集器可能是弱能源，僅輸出幾百毫伏，因此能量采集 PMIC 必須能夠使用采集器的幾百毫伏啟動。有各種各樣的能量收集器 IC 可用，每種都有自己特定的冷啟動規(guī)范。例如，bq25570 啟動發(fā)生在大約 330 mV。

靜態(tài)電流——沉默的殺手

能量收集器 PMIC 的靜態(tài)電流需要盡可能低。保持該電流低可以最大限度地減少整個系統(tǒng)睡眠電流。能量收集系統(tǒng)通常大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，間歇性地醒來以進行和傳輸測量，然后再次進入睡眠狀態(tài)。睡眠時間越長，睡眠電流就對電池壽命至關重要?？梢哉f，沒有其他系統(tǒng)參數(shù)比睡眠電流對能量收集系統(tǒng)的成敗影響更大。就靜態(tài)電流而言，并非所有的能量收集 PMIC 都是生而平等的。可用選項的范圍差異很大。有些具有毫安級的靜態(tài)電流，而少數(shù)具有納安級的靜態(tài)電流，后者是最好的。

概括

能量收集 PMIC 是超低功耗能量收集系統(tǒng)的關鍵組件，工作在納瓦至毫瓦范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)正在尋找廣泛的應用，例如用于工業(yè)和消費的傳感器。傳感器通常由電池供電，延長電池壽命是系統(tǒng)設計人員的一個大問題。

選擇能量收集 IC 時需要考慮許多因素。在本文中，我們研究了這些集成電路的一些更重要的特性——例如最大功率點跟蹤、冷啟動、能量存儲、負載管理和靜態(tài)電流。正確選擇能量收集 IC 可以讓系統(tǒng)設計人員創(chuàng)造性地使用環(huán)境能量為他們的應用程序自供電，或增加板載電池以提供更長的運行時間。

審核編輯：郭婷