專為能量收集應用而設計多模PMIC的特點

由于大多數(shù)環(huán)境源的能量輸出不規(guī)則，對能量收集應用的需求尤為迫切。因此，電源管理IC（PMIC）在管理收獲的能量輸出以及提供所需水平的電壓和電流方面發(fā)揮著重要作用。對于負責建筑能量收集設計的工程師而言，結合電源管理功能通常意味著相對簡單地添加可從制造商處獲得的專用PMIC，包括ADI公司，Intersil公司，凌力爾特公司和德州儀器公司等。

能量收集可以提供幾乎永久的電力來源，但是來自環(huán)境源的能量變化需要仔細管理輸送到負載的電壓和電流。同時，電子產(chǎn)品中使用的傳統(tǒng)PMIC提供了一系列廣泛的功能，這些功能通常在簡單的能量收集設計中不需要，并且會給已經(jīng)緊張的功率預算增加不必要的負擔。

能量收集PMIC與其通用型PMIC相比并不復雜，但這些設備旨在提供這些應用所需的更有限的功能集。與傳統(tǒng)應用中的電源管理要求不同，能量收集PMIC至少需要能夠從極低能源管理電源并以可用電平提供穩(wěn)定電壓。由于能源波動會導致功率水平降至可用水平以下，因此這些設備通常還需要提供“電源良好”信號，以指示調節(jié)輸出何時超過某個最小閾值。除了這些基本功能之外，用于能量收集設計的PMIC還提供了一系列專門針對這些應用的特性和功能。

德州儀器TPS65290雖然專為能量收集應用而設計，但它是一種多模PMIC，能夠滿足各種電源管理要求，不僅適用于能量收集，還適用于其他低功耗設計（圖1）。其片上功能使器件能夠支持從微安到幾百毫安的各種系統(tǒng)負載條件。片上功能包括一個非常低的靜態(tài)電流常開電源，一個500 mA降壓/升壓轉換器，一個150 mA低壓差穩(wěn)壓器和八個配電開關。其集成的可編程輸入電壓監(jiān)視器支持能量采集設計，特別是允許連接和斷開不同的電源模塊和開關，而無需主處理器的干預。此外，TPS65290還集成了電阻分壓器，I 2 C上拉電阻，SPI下拉電阻，升壓/降壓補償和中斷上拉電阻。因此，工程師通常只需添加一些外部電容器和電感器，即可為能量收集應用提供全面的多軌解決方案。

圖1：德州儀器（TI）TPS65290等專業(yè)PMIC提供的功能集旨在滿足電源管理的要求，而不會進一步降低超高功率預算的負擔 - 低功耗能量收集設計。 （德州儀器公司提供）

設計人員還可以找到許多專門設計的PMIC，以提供器件功能與更具體的能量收集源要求之間的緊密匹配。例如，Intersil ISL1801專為太陽能收集而設計，能夠采用降壓，升壓或降壓 - 升壓拓撲結構，以最大限度地提高太陽能電池陣列的能量輸出。在其電源管理功能中，PMIC集成了兩個開關穩(wěn)壓器VR1和VR2（圖2）。 VR1能夠直接連接到高達90 V的輸入電壓，為VR2提供穩(wěn)壓電壓，VR2又可用于為MCU或其他外部電路提供穩(wěn)壓電源。其電源良好信號（PGOOD2）表示VR2輸出電壓在所需的工作電平范圍內。

圖2：更專業(yè)的PMIC，例如Intersil ISL1801，專注于與太陽能電池陣列等特定能量收集應用相匹配的電源管理功能。 （由Intersil提供）

雖然TI TPS65290和Intersil ISL1801等器件為能量收集提供專用電源管理支持，但設計人員還可以在專用能量收集IC中找到復雜的電源管理功能，例如凌力爾特公司的LTC3108和LTC3588-2等。

凌力爾特公司的LTC3108電源管理器基于升壓拓撲結構，使器件能夠從低至20 mV的電源獲取能量。除了用于為外部MCU供電的2.2 V LDO輸出外，LTC3108的主要穩(wěn)壓輸出還可由用戶編程為四個固定電壓之一，為其他應用電路供電。與同類產(chǎn)品中的大多數(shù)器件一樣，LTC3108提供了一個電源良好指示器，用于指示主輸出電壓在穩(wěn)壓范圍內。

其他能量收集設備，如凌力爾特公司的LTC3588-2，擴展了這些功能，將電源管理功能與完全收集壓電設備產(chǎn)生的交流輸出所需的功率調節(jié)功能相結合。凌力爾特公司的LTC3588-2通過將全波橋式整流器與高效降壓轉換器集成在一起，提供了更廣泛的功能（圖3）。除片內基準電壓源和欠壓鎖定（UVLO）功能外，LTC3588-2還集成了一個比較器，當器件達到工程師設定的特定輸出電壓電平時，該比較器可產(chǎn)生電源就緒信號。

圖3：更專業(yè)的能量收集設備結合了電源管理和電源調節(jié)功能，例如集成在其中的全波橋式整流器凌力爾特LTC3588-2。 （由Linear Technology提供）

光伏電池在其I-V曲線上稱為最大功率點（MPP）的特定點處產(chǎn)生最佳功率輸出。制造商提供額外的一類能量收集IC，其中包括處理此額外電源管理要求所需的功能。例如，凌力爾特公司的LTC3105集成了一個MPP控制器，可將光伏電池的輸入電源電壓維持在用戶可編程的MPP控制閾值以上。該器件使用專有技術自動調節(jié)峰值電流限制，以將操作維持在最大化源輸出功率的水平。

德州儀器（TI）設計的SM72442控制器與其SM72295全橋驅動器配合使用，以優(yōu)化太陽能電池板的能量收集。集成到SM72442控制器中的最大功率點跟蹤（MPPT）算法監(jiān)控輸入電流和電壓，并控制PWM占空比，以維持最大化光伏模塊能量輸出所需的MPP設定點。為了保持MPP工作，該器件使用其片內8通道，12位模數(shù)轉換器（ADC）來檢測輸入和輸出電壓和電流。

最后，制造商解決了許多專業(yè)能源采集應用中對電池管理的需求。面對環(huán)境能量或峰值電流需求的大幅波動，工程師通常需要使用能量存儲設備（如超級電容器或可充電鋰離子電池）來補充能量收集設計。諸如ADI公司ADP5090，凌力爾特公司LTC3331和德州儀器公司BQ25505等器件集成了這些應用所需的全部能量收集，電源管理和電池管理功能。例如，ADI公司的ADP5090具有集成的電源路徑管理控制模塊，能夠自動切換能量采集電路，可充電電池甚至原電池的電源（圖4）。

圖4：ADI公司的器件ADP5090結合了能量收集，電源管理和電池充電功能，簡化了環(huán)境中電池備份的設計 - 動力設計。 （由Analog Devices提供）

結論

在能量采集設計中，盡管環(huán)境能源波動，但電力管理在提供穩(wěn)壓電源方面發(fā)揮著至關重要的作用。雖然專用PMIC提供了針對能量收集設計的功能，但許多專用能量收集IC包括集成電源管理功能，作為其功能的一部分。使用這些能量采集PMIC和專用IC，工程師可以使用最少的附加組件輕松添加相對復雜的電源管理功能。