小能量采集應(yīng)用設(shè)計(jì)中電源管理集成電路詳解

　　能量采集技術(shù)已經(jīng)面世很長時(shí)間了。我依然記得1980年代，我的袖珍計(jì)算器采用太陽能電池為計(jì)算單元和LCD顯示器供電。甚至在此之前的電氣革命早期階段，便已將發(fā)電裝置或者發(fā)電機(jī)放在河上磨坊里，通過奔騰的水流發(fā)電并獲取可供使用的能源?，F(xiàn)在，當(dāng)我們討論能量采集的時(shí)候，我們一般指用來代替電子設(shè)備中電池。因此，1980年的袖珍計(jì)算器例子非常符合我們現(xiàn)在所說的“能量采集”。

　　能量采集系統(tǒng)設(shè)置

　　顯然，能量采集系統(tǒng)中最重要的就是采集器了，而最常見的是太陽能電池。采集器產(chǎn)生的電能需轉(zhuǎn)換為有用的電壓或電流，才能為系統(tǒng)供電，或者為超級(jí)電容和電池等中間儲(chǔ)能設(shè)備充電。系統(tǒng)上電后，需針對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生正確的電壓。圖1顯示了能滿足各種不同任務(wù)需要的電源管理單元。使輸入阻抗匹配，以便最大程度采集能量、為中間儲(chǔ)能設(shè)備充電、從傳統(tǒng)一次電池轉(zhuǎn)移電能、為系統(tǒng)生成正確的輸出電壓以及監(jiān)控電流流動(dòng)和電壓，從而形成一個(gè)可靠的系統(tǒng)。所有這些任務(wù)都必須在極低的電源功率條件下實(shí)現(xiàn)，以便系統(tǒng)能夠采用小型采集器或傳感器。這些功能高度集成在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，有助于降低這類任務(wù)所需的電能。

　　圖1中的系統(tǒng)顯示了一個(gè)用于無線環(huán)境傳感器的典型能量采集系統(tǒng)。這些傳感器通常用來檢測溫度、濕度或各種氣體，比如二氧化碳。能量采集還有很多其它應(yīng)用。無線占位傳感器或工業(yè)監(jiān)控（比如資產(chǎn)追蹤和機(jī)器監(jiān)控）中的安全與安保方面屬于工業(yè)應(yīng)用。

　　能量采集還用于消費(fèi)電子設(shè)備中，比如便攜式設(shè)備和可穿戴設(shè)備。在家庭醫(yī)療保健應(yīng)用中，無線病人監(jiān)護(hù)需要在無電池的情況下使用，或者延長電池壽命。

　　能量采集是目前非常流行的一個(gè)話題。很多工程師都必須評(píng)估能量采集解決方案是否能代替或補(bǔ)充現(xiàn)有的能源解決方案。這類系統(tǒng)目前如此受歡迎的原因是我們最終達(dá)到了一個(gè)均衡點(diǎn)，即從相對(duì)成本較低且尺寸較小的采集器獲得的能量足以為極低功耗微控制器和RF電路供電。過去數(shù)年內(nèi)，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代和能耗都有了進(jìn)步，因此5到10年前不可行的很多應(yīng)用現(xiàn)在都得以實(shí)現(xiàn)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

　　圖1. 能量采集系統(tǒng)設(shè)置

　　不同的能量來源

　　能量有各種來源，最常見的是光伏（PV）、熱電（TEG）、電磁、壓電和RF。光伏和熱電采集器產(chǎn)生直流電壓，而電磁、壓電和RF采集器產(chǎn)生交變電壓或交流電壓。這便使得電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的要求稍有不同。

　　圖 2顯示了不同的采集類型，以及一個(gè)尺寸為10平方厘米的采集器大致可以產(chǎn)生的能源量。該圖左側(cè)顯示產(chǎn)生的能源，右側(cè)顯示針對(duì)不同任務(wù)的功耗。注意，中間的功率尺度取對(duì)數(shù)。這張圖很重要，可以從中獲得切實(shí)可行的設(shè)計(jì)思路。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)人員的工作和精力花費(fèi)在評(píng)估能量采集解決方案上，最后卻發(fā)現(xiàn)所采集的能量不足以為特定系統(tǒng)供電。

　　圖2. 不同的能量來源和不同應(yīng)用所需的能量要求

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器單元的重要性

　　電源轉(zhuǎn)換和管理通常是現(xiàn)代能量采集系統(tǒng)的核心組件。雖然某些應(yīng)用并不采用復(fù)雜的功率器件，但更多應(yīng)用的功率器件較為復(fù)雜。不含智能電源管理的系統(tǒng)示例有鏈?zhǔn)教柲茈姵囟褩＃缮上鄬?duì)較高的直流電壓，直接為系統(tǒng)供電或在兩者之間放置一個(gè)簡單的線性穩(wěn)壓器后供電。這類系統(tǒng)通常達(dá)不到最佳的能效，或者電源電壓不能良好調(diào)節(jié)。雖然某些負(fù)載可以在變化較大的電源電壓下工作，但另一些不行。此外，更高級(jí)的系統(tǒng)傾向于要求使用某類電壓轉(zhuǎn)換器和管理模塊。

　　圖3. 適合能量采集應(yīng)用的電源管理器件功能框圖

　　圖 3顯示了適合能量采集應(yīng)用的現(xiàn)代電源管理器件的功能框圖。它包含啟動(dòng)電路，該電路帶電荷泵，使輸入端上的啟動(dòng)電壓為380 mV。系統(tǒng)運(yùn)行后，ADP5090的內(nèi)部電路由ADP5090的輸出電壓供電。它也是為能量采集系統(tǒng)負(fù)載供電的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)高于1.9 V時(shí)，輸入電壓可下降至80 mV，但依然可采集能量。這對(duì)于那些在非最優(yōu)情況下花了很多時(shí)間的系統(tǒng)而言非常有用，比如采用太陽能電池供電的室內(nèi)傳感器。太陽能電池在早上和晚上受到的光照可能很少，進(jìn)而產(chǎn)生的電能也非常少。在這些時(shí)間內(nèi)采集一定能量有利于給定時(shí)間段內(nèi)的總功率預(yù)算。ADP5090具有低靜態(tài)電流特性，因而從另一方面改善了這類情況。需注意的是，其功耗僅為260 nA。圖4顯示了一個(gè)典型的實(shí)際應(yīng)用。該曲線顯示了住宅樓內(nèi)的不同位置，以及采用太陽能電池的傳感器處于黑暗中的典型時(shí)間。當(dāng)然，這只是一個(gè)典型案例。傳感器接收的光量取決于房子的結(jié)構(gòu)，包括窗戶數(shù)量、在用的電燈數(shù)量以及傳感器的確切位置。此外，一年中的季節(jié)和房子的位置也會(huì)影響這類圖形。重點(diǎn)在于，在這種變化較大的照明條件下，ADP5090的低功耗特性對(duì)總功率預(yù)算極為有幫助，尤其是那些大部分時(shí)間都處于黑暗中的場所。

　　圖4. 不同住宅樓位置的傳感器處于黑暗中的典型時(shí)間

　　ADP5090中的DC-DC轉(zhuǎn)換器級(jí)很有意思。正如大部分DC-DC轉(zhuǎn)換器，它具有調(diào)節(jié)環(huán)路。然而，它既不會(huì)調(diào)節(jié)輸出電壓，也不會(huì)調(diào)節(jié)輸出電流。調(diào)節(jié)環(huán)路主要以調(diào)節(jié)輸入阻抗的方式設(shè)置。

　　太陽能電池的電流和電壓表現(xiàn)如圖5所示。在開環(huán)條件下，沒有電流流過時(shí)，所提供的電壓達(dá)到最大值。然后，隨著電流流動(dòng)，電壓開始下降。在極高的電流下，電壓下降得非?？?。在曲線的中部形成了一個(gè)膝蓋形狀，它就是峰值功率點(diǎn)。在該點(diǎn)處，電壓依然相對(duì)較高，但吸取了較多電流。為了在最大峰值功率點(diǎn)處工作，我們需要跟蹤這一點(diǎn)。僅設(shè)置一個(gè)我們所描繪的固定電流值是無法工作的，因?yàn)閳D5中特定太陽能電池的曲線將根據(jù)不同的光照條件而發(fā)生偏移。如需跟蹤MPP（最大峰值功率點(diǎn)），則ADP5090停止在輸入端傳導(dǎo)電流并在不加載 太陽能電池電壓的情況下檢查該電壓，然后設(shè)置下一個(gè)16秒的MPP。經(jīng)過此時(shí)間周期之后，再次執(zhí)行開環(huán)檢查。16秒是個(gè)良好的折衷點(diǎn)，既遠(yuǎn)離MPP漂移，又不會(huì)過于頻繁地中斷采集操作。

　　圖5. 典型光伏電池的電壓和電流曲線

　　MPP 跟蹤確保大部分能量從光伏電池或熱電發(fā)生器等電源采集，但電源管理單元還有其它任務(wù)。例如，它需要在某個(gè)電壓窗口內(nèi)控制輸出電壓。ADP5090用作電流源，為超級(jí)電容或電池充電。此元件對(duì)于消耗能量的能量采集而言很重要。這樣可以實(shí)現(xiàn)很多沒有恒定可用能量供采集并以指定間隔執(zhí)行某些系統(tǒng)任務(wù)的系統(tǒng)。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)傳感器需要每隔5分鐘發(fā)送一次溫度值。如果該傳感器由太陽能電池供電，由于中間儲(chǔ)能單元，系統(tǒng)依然可以在沒有光照的情況下工作。

　　目前一個(gè)非常受歡迎的架構(gòu)是將能量采集設(shè)備加入一次電池供電的系統(tǒng)中。使用不可充電電池的產(chǎn)品可以成功地通過加入能量采集功能來延長系統(tǒng)壽命。這樣可以延長工作時(shí)間，而不會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性。針對(duì)這類混合系統(tǒng)，ADP5090提供控制一次電池的能力。當(dāng)沒有足夠的采集能量時(shí)，一次電池的電源路徑便轉(zhuǎn)而直接為負(fù)載供電。

　　圖6. 適合能量采集應(yīng)用的電源管理級(jí)示例

　　圖 6顯示了一個(gè)完整的能量采集功率級(jí)，不僅包含主ADP5090 MPPT能量采集IC，還帶有一個(gè)備用IC，即ADP5310。它是一款DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以非常高效地產(chǎn)生兩路輸出電壓。在100 μA輸出電流時(shí)，其效率接近90%。此外，ADP5310還集成了一個(gè)負(fù)載開關(guān)。此負(fù)載開關(guān)可用來關(guān)閉那些持續(xù)消耗能量的負(fù)載，哪怕這些負(fù)載并未使用。

　　ADP5310降壓轉(zhuǎn)換器支持的輸入電壓最高達(dá)15 V。因此，這款器件可以直接用于交流電壓生成器，比如壓電類或電磁類發(fā)生器。只需一個(gè)橋式整流器，輸出電壓便可直接饋入ADP5310。

　　現(xiàn)在，很多電源管理集成電路均針對(duì)能量采集應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)。它們可讓系統(tǒng)支持更小的采集器，或者實(shí)現(xiàn)數(shù)年前無法設(shè)計(jì)出來的能量采集解決方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員有一些好的想法現(xiàn)在正在實(shí)施中，不久之后我們就能見證它們的實(shí)現(xiàn)并贊嘆不已。