可穿戴電子設(shè)備的能量收集應(yīng)用介紹

能量收集主要被視為一種供電方式，用于向那些無法接入電源或除電池以外亦需要補(bǔ)充電源的電子設(shè)備供電。 在許多情況下，使用能量收集的應(yīng)用往往沒有足夠的空間來容納大體積的電池。 典型例子包括可穿戴技術(shù)，如健身小工具和健康監(jiān)測(cè)設(shè)備，以及諸如環(huán)境或結(jié)構(gòu)狀況監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。

通常情況下，從諸如太陽能、振動(dòng)或溫差等環(huán)境能量源收集的能量，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換、升壓和暫存后才能得到有效利用。 現(xiàn)如今，多家公司針對(duì)能量收集應(yīng)用推出的電源轉(zhuǎn)換和電源管理集成電路日益增多。 但面臨的壓力使，要確保這些設(shè)備高度集成，以便于多功能操作，且尺寸要盡可能小。 毫無疑問，設(shè)備本身的功耗也要非常低。

本文將概述快速增長(zhǎng)的可穿戴電子設(shè)備市場(chǎng)及其相關(guān)應(yīng)用的微型化需求， 并討論最近推出的、帶集成降壓轉(zhuǎn)換器的 bq25570 升壓充電器，以及一系列類似的替代和互補(bǔ)部件。 本文將參考 TI 的用戶指南，闡述如何最有效地將該設(shè)備用于超低功耗、空間/重量受限的能量收集應(yīng)用。

更多功能

如今，可輔助跟蹤記錄健身計(jì)劃、監(jiān)測(cè)健康狀況并提供醫(yī)療服務(wù)的可穿戴設(shè)備日益增多。 正如多數(shù)便攜式設(shè)備一樣，隨著消費(fèi)者預(yù)期的增長(zhǎng)，此趨勢(shì)會(huì)促進(jìn)設(shè)備功能的增多。 如果在心率監(jiān)測(cè)器中集成 GPS 裝置，跟蹤記錄圈數(shù)或跑步路線，心率監(jiān)測(cè)器必將更受青睞。 目前，現(xiàn)代可穿戴式健康監(jiān)測(cè)設(shè)備除可監(jiān)測(cè)心電圖反應(yīng)外，還可監(jiān)測(cè)血壓、體溫、血氧含量、心率和活動(dòng)量。

圖 1：能量收集將會(huì)是許多可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。

左：Sensoria 的智能襪，配備壓力傳感器，可通過藍(lán)牙與腳環(huán)進(jìn)行通信，以幫助識(shí)別和改善跑步姿勢(shì)（腳跟著地/腳掌著地）。 其他傳感器則可追蹤記錄步數(shù)、速度、消耗卡路里、高度和距離。

右：Fraunhofer Institute 研發(fā)的面向老年人群體的可穿戴式輔助設(shè)備，可提供服藥提醒、健康狀況監(jiān)測(cè)和緊急援助呼叫等一系列可編程服務(wù)。

無線連接可便于設(shè)備傳輸和存儲(chǔ)收集到的數(shù)據(jù)，以供稍后分析。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，在智能建筑和環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用中必不可少，在這些應(yīng)用中來自許多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過編譯。 正因?yàn)榇?，在智能手表、生物特征監(jiān)測(cè)器、ID 標(biāo)簽產(chǎn)品、傳感器節(jié)點(diǎn)和其他可穿戴式或遠(yuǎn)程應(yīng)用中，集成的傳感器、射頻電路和更精密的微控制器日益增多。

不過，此類多功能設(shè)備要想受到青睞，除需提供合理的電池續(xù)航時(shí)間外，還需要重量輕、體積小和穿戴舒適。 設(shè)計(jì)師們紛紛采用能量收集技術(shù)來有效利用體熱或腳步振動(dòng)等環(huán)境能量，以為電池持續(xù)充電。 在某些設(shè)備（如植入設(shè)備）中，收集到的能量是唯一的能量來源。

因此，能量收集可被看作為一項(xiàng)可節(jié)省空間的實(shí)用技術(shù)，既可以替代電池，又可實(shí)現(xiàn)體積更小的可充電電池的應(yīng)用。 對(duì)于任何由電池或收集的能量供電的設(shè)備而言，電源管理都非常重要。 通過功耗很低，且通常不規(guī)則的電源，來確保實(shí)現(xiàn)最佳性能和高效率運(yùn)行，需要一定的準(zhǔn)確度和精密度。 多家 IC 制造商紛紛瞄準(zhǔn)這一市場(chǎng)，其中包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

相對(duì)于舊一代的電源而言，新一代電源的集成度更高，體積更小，功耗也更低。 理論上，設(shè)備會(huì)先獲取收集的能量，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換和/或升壓，最后將其直接供給系統(tǒng)或可再充電的儲(chǔ)能設(shè)備。 某些設(shè)計(jì)會(huì)專用于一種類型的能量存儲(chǔ)設(shè)備，如超級(jí)電容器或鋰離子鈕扣電池。 也有另一些可支持多種能量存儲(chǔ)設(shè)備的設(shè)計(jì)。 同理，某些設(shè)計(jì)可能專用于一種形式的能量收集，也有另一些可支持多種形式能量收集的設(shè)計(jì)。

要注意的一個(gè)重點(diǎn)是不同應(yīng)用所需要的啟動(dòng)電壓。 有些應(yīng)用的啟動(dòng)電壓低至 20 mV，不過功能可能受限，需要額外的互補(bǔ)部件才能提供充分的電源管理。 集成度更高的部件可能總體尺寸更小，整體靜態(tài)電流更低，不過可能需要更高的啟動(dòng)電壓，才能使其更加依靠最低水平的儲(chǔ)存能量來工作。 有些設(shè)備針對(duì)性很強(qiáng)，專用于超低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)。 其他設(shè)備將支持更高的輸入電壓水平，從而滿足基于微控制器設(shè)備的要求，不過對(duì)于能量收集應(yīng)用而言，這些微型設(shè)備本身的功耗非常低。

重要的是，電源管理 IC 需要足夠靈活，能夠處理斷續(xù)供電情況和收集的能量（往往不穩(wěn)定，且往往收集的量極低）。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須考慮到這一點(diǎn)，即擁有足夠的能量?jī)?chǔ)存容量，能夠在需要時(shí)提供恒定電力。 這很大程度上取決于傳感器的讀取頻率，以及數(shù)據(jù)的傳輸量和傳輸頻率。

集成度高

Texas Instruments 提供多種用于能量收集應(yīng)用的超低功耗微型設(shè)備，包括電源管理 IC、無線連接和微控制器。 該公司最新推出的 bq25570 是高集成度的能量收集毫微功耗管理解決方案。 它符合采用能量收集技術(shù)的空間受限和功率受限應(yīng)用的所有標(biāo)準(zhǔn)。

該設(shè)備體積小巧，采用 20 根引線的 3.5 x 3.5 mm QFN 封裝，超低功耗靜態(tài)電流為 488 nA（典型值），運(yùn)送模式下為 《5 nA。 此外，還配有 bq25570EVM 評(píng)估模塊。 有關(guān)詳細(xì)的產(chǎn)品和應(yīng)用信息，可參閱設(shè)備規(guī)格書1 和評(píng)估板用戶指南2。

該設(shè)備仍需要外部電容器和電阻器，但由于高度集成，故可最大限度減少對(duì)額外設(shè)備的需求。 該設(shè)備非常適用于針對(duì)具有苛刻功率和運(yùn)行要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施高能效脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 升壓充電器和毫微功耗降壓轉(zhuǎn)換器解決方案。 請(qǐng)參見下面的圖 2：

圖 2：TI 推出的 bq25570 能量收集電源管理 IC（帶升壓充電器和毫微功耗降壓轉(zhuǎn)換器）的功能示意圖。

該設(shè)備可與多種高阻抗能量收集源配合使用，包括光伏（太陽能）、熱電發(fā)電機(jī) （TEG） 以及 AC/DC 整流器和壓電發(fā)電機(jī)。 從冷啟動(dòng)狀態(tài)起，該設(shè)備的 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器/充電器所需電壓最小值為 330 mV。 其假設(shè)依據(jù)為：輸入電源提供至少 5 μW（典型值），且升壓轉(zhuǎn)換器輸出的負(fù)載為低于1 μA 的漏電電流（含存儲(chǔ)元件漏電電流）。 不過，運(yùn)行后升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓達(dá)到 1.8 V，此時(shí)設(shè)備所需的 100 mV 電壓可以從能量收集源獲取。

降壓轉(zhuǎn)換器先從升壓轉(zhuǎn)換器輸出獲得輸入功率，再進(jìn)行降壓處理，最終為輸出引腳提供調(diào)節(jié)電壓。 降壓轉(zhuǎn)換器采用 PFM 控制來調(diào)節(jié)電壓，使之接近由用戶可編程的電阻分壓器設(shè)置的值。 通過電感器的電流由內(nèi)部電流檢測(cè)電路控制。 從運(yùn)送模式啟動(dòng)的時(shí)間約為 100 ms， 從待機(jī)模式啟動(dòng)的速度要更快，不過這取決于輸出電容器的尺寸。

bq25570 可與多種類型的存儲(chǔ)設(shè)備配合使用，包括電容器、超級(jí)電容器、鋰離子電池和其他化學(xué)電池。 當(dāng)系統(tǒng)處于低功耗或休眠模式時(shí)，收集器將提供足夠電能來給存儲(chǔ)元件充電。 當(dāng)能量收集器不在工作時(shí)，電池或電容器必須要有給整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載供電的足夠電能。 需要等效電容 100 μF 的存儲(chǔ)元件，來過濾掉 PFM 開關(guān)式充電器的脈沖電流。

根據(jù) TI 的用戶指南所述，電池與超級(jí)電容器之間的主要區(qū)別在于，電池中很少有，甚至沒有低于某一電壓的容量，而超級(jí)電容器中則有。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要注意的是，兩者都存在明顯的漏電電流，相當(dāng)于升壓轉(zhuǎn)換器輸出上有個(gè) DC 負(fù)載。

最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 是指從光伏電池（70 至 80%）和 TEG （50%） 獲取盡可能最多的電能并進(jìn)行管理。 電池供電設(shè)備高能效管理必不可少的其他功能包括：電池過壓和欠壓保護(hù)、可充電鋰離子電池的自動(dòng)熱關(guān)斷。 對(duì)電池狀態(tài)的準(zhǔn)確監(jiān)控是另一個(gè)重要功能，如果系統(tǒng)可能進(jìn)入欠壓狀態(tài)，則還需要觸發(fā)負(fù)載電流下降功能。

替代設(shè)備和補(bǔ)充設(shè)備

TI 推出的 bq25504 和 bq25505 功能相似，但靜態(tài)電流均低于 325 nA。 這兩種設(shè)備配備的自主電源多路復(fù)用器柵極驅(qū)動(dòng)器，一旦啟動(dòng)，可讓系統(tǒng)從能量收集源和一次電池獲取能量運(yùn)作，確保在需要時(shí)提供恒定功率，即使在收集器無可用能量時(shí)也能正常運(yùn)作。 當(dāng)系統(tǒng)中包含有無法完全關(guān)閉的設(shè)備時(shí)，超低的靜態(tài)電流就顯得十分重要，這樣可以延長(zhǎng)電池的續(xù)航時(shí)間。

如果尺寸和重量成問題，那么 TI 推薦 bq25100，這是一款體積更小、功率更低的線性電池充電器，特別適用于單節(jié)鋰離子鈕扣電池。 該裝置采用 0.9 x 1.6 mm WCSP 封裝，支持高達(dá) 30 V 的輸入電壓，允許對(duì)快速充電電流準(zhǔn)確控制在 10 mA 至 250 mA 范圍內(nèi)。

互補(bǔ)設(shè)備 TPS82740A 和 TPS8274B 降壓轉(zhuǎn)換器模塊支持 200 mA 的輸出電流，轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 95%，運(yùn)行時(shí)消耗的靜態(tài)電流僅為 360 nA，待機(jī)模式時(shí)為 70 nA。 6.7 mm2 的封裝容納了開關(guān)穩(wěn)壓器、電感器和 I/O 電容器。 通過集成所有必需的無源器件，該設(shè)備的體積要比同類分立解決方案小 75%。 TPS82740A 面向的是超低壓應(yīng)用，TPS8274B 則擁有“DCS 控制”功能，適用于集成了低功耗微控制器的系統(tǒng)進(jìn)行電源管理，例如 TI 的 MSP430 系列。

結(jié)論

為利用能量收集技術(shù)的便攜式應(yīng)用選擇合適的電源管理 IC，需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)的電源需求、能量生成潛力和能量存儲(chǔ)容量。 在功率范圍的較低端（如無線傳感器節(jié)點(diǎn)），或者如果 TEG 產(chǎn)生的能量非常少，設(shè)備的選擇更加有限。 如果小尺寸和輕重量是最優(yōu)先考慮的事項(xiàng)，那么選擇集成度更高的設(shè)備，例如本文中重點(diǎn)提到的幾種，或許可以提供最佳解決方案。