超低功耗能量收集解決方案

由于需要更少的能源消耗，特別是在遠(yuǎn)程無線傳感應(yīng)用中，系統(tǒng)和電路設(shè)計(jì)人員正在尋求收集環(huán)境能源。然而，從這些收獲來源中獲取最大收益具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閷⑵漭敵雠c其他存儲(chǔ)，控制，處理，傳感和其他任務(wù)的輸入相匹配并非簡(jiǎn)單的任務(wù)，并且因不同的應(yīng)用而異。

輸出現(xiàn)代能量收集源，例如太陽(yáng)能電池和熱電發(fā)電機(jī)（TEG），相對(duì)較小，在幾百μJ的能量范圍內(nèi)。因此，必須首先收集并累積它，以便在典型的3 V電路中實(shí)際使用它。

需要存儲(chǔ)的能量取決于應(yīng)用的使用情況和占空比，而儲(chǔ)存能量所需的時(shí)間取決于能源以及能量如何有效地傳遞到本地存儲(chǔ)設(shè)備。該存儲(chǔ)設(shè)備可以是電池存儲(chǔ)和備份，以及支持電子電路。典型的能量收集源，如電容器或紐扣電池（變體包括固態(tài)存儲(chǔ)薄膜器件，超級(jí)和超級(jí)電容器和緩沖器），通常只消耗幾μW。

太陽(yáng)能電池應(yīng)用程序，“冷”啟動(dòng)可能是一個(gè)問題。定義為在所有電路長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉后打開太陽(yáng)能電池，冷啟動(dòng)可以擱淺。電源管理控制器可以耗盡光伏電池的存儲(chǔ)輸出。在可能出現(xiàn)這種情況的情況下，建議使用專用備用電池。

或者，設(shè)計(jì)人員可以使用光伏電池的輸出為控制器供電?，F(xiàn)在可以使用用于太陽(yáng)能收集的低功耗控制器。與備用電池一起，這個(gè)解決方案是可取的。

在目前可用的收獲能源中，太陽(yáng)能是最多產(chǎn)和最有希望的，具有更高的輸出功率密度。其他來源包括TEG用于使用塞貝克效應(yīng)發(fā)電的熱梯度（差異），以及振動(dòng)/運(yùn)動(dòng)和射頻能量（見表1）。

無論選擇何種能量收集技術(shù)，了解如何最大限度地將電力從該電源傳輸?shù)酱鎯?chǔ)設(shè)備非常重要。這需要使用有效的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法將環(huán)境源阻抗與負(fù)載阻抗匹配。負(fù)載包括電源管理控制器和DC-DC轉(zhuǎn)換器。對(duì)于太陽(yáng)能和TEG源，STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集評(píng)估套件提供了MPPT管理的一個(gè)很好的例子（圖1）。

圖1：STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集評(píng)估套件為太陽(yáng)能電池和TEG應(yīng)用提供了MPPT管理的一個(gè)很好的例子。 （資料來源：意法半導(dǎo)體）

該套件基于該公司的SPV1050超低功耗能量收集器和電池充電器。它說明了一個(gè)現(xiàn)代解決方案，該軟件圖形用戶界面（GUI）支持在任何溫度或輻照度條件下顯示MPPT和轉(zhuǎn)換效率（圖2）。

圖2：STEVAL-021V1的能量收集套件的MPPT精度和功率效率曲線是可選擇的GUI選項(xiàng)卡中的四個(gè)參數(shù)之一，顯示在連接的PC或筆記本電腦顯示屏上。 （來源：意法半導(dǎo)體）

在SPV1050本身中，傳輸晶體管在STORE和BATT引腳之間進(jìn)行控制，并實(shí)現(xiàn)欠壓保護(hù)（UVP）和充電結(jié)束（EOC）保護(hù)閾值（圖3） ）。這些功能由兩個(gè)控制電壓VUVP和VEOC實(shí)現(xiàn)，可通過STORE和EOC引腳之間R4，R5和R6的電阻分區(qū)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3：在STMicroelectronics的SPV1050超低功耗能量采集器和電池充電器中，傳輸晶體管在STORE和BATT引腳之間進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)兩者之下電壓保護(hù)（UVP）和充電結(jié)束（EOC）保護(hù)閾值。 （資料來源：意法半導(dǎo)體）

完整的能量收集電源管理系統(tǒng)是Maxim Integrated的MAX17710能量收集充電器和保護(hù)器（圖4）。

這款微型超?。?） x 3 x 0.5 mm）采用UTDFN封裝的IC可在1μW至100 mW的寬范圍內(nèi)為能量收集輸出充電和保護(hù)微功率存儲(chǔ)單元。它具有鋰電池欠壓保護(hù)和過壓短路保護(hù)功能，僅使用1 nA的待機(jī)電流。

圖4：小型MAX17710充電器和保護(hù)器IC Maxim Integrated是一個(gè)完整的儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，提供欠壓和過壓保護(hù)。 （來源：Maxim Integrated）

當(dāng)連接到FB引腳時(shí)，可以使用分壓電路來提高充電系統(tǒng)的充電效率，介于1.0和2.0 V之間（圖5）。 IC的升壓輸入LX引腳控制通過外部電路電感的電流驅(qū)動(dòng)。由電阻R1和R2組成的分壓器允許FB引腳上的電壓在FBON和FBOFF之間正確轉(zhuǎn)換。這種情況發(fā)生在升壓過程中。

圖5：使用Maxim Integrated MAX17710充電器和保護(hù)器將充電系統(tǒng)的充電效率提高到1.0和2.0 V之間IC是由電阻R1和R2組成的分壓器網(wǎng)絡(luò)，允許FB引腳上的電壓在FBON和FBOFF之間正確轉(zhuǎn)換。這在增強(qiáng)過程中發(fā)生。 （來源：Maxim Integrated）

更復(fù)雜的控制

如果需要控制多個(gè)能量收集輸出和存儲(chǔ)設(shè)備，賽普拉斯半導(dǎo)體SAE101A能量收集電源管理IC適合賬單（圖6）。它通過開關(guān)控制進(jìn)行操作，通過太陽(yáng)能電池或主電池提供輸入功率選擇。

圖6：賽普拉斯半導(dǎo)體的SAE101A能量收集電源管理IC通過開關(guān)控制操作，通過太陽(yáng)能電池或原電池提供輸入功率選擇。 （來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

IC將收集的能量存儲(chǔ)在輸出電容器上并接通來自開關(guān)電路的電源，同時(shí)電容器電壓在預(yù)設(shè)的最大和最小范圍內(nèi)，為負(fù)載提供能量

SAE101A上的七個(gè)開關(guān)允許它使用兩個(gè)輸入電源工作，即太陽(yáng)能電池電壓VDD和初級(jí)電壓VBAT。

圖7：賽普拉斯半導(dǎo)體SAE101A能量收集電源管理IC上的七個(gè)開關(guān)系列允許它使用兩個(gè)輸入電源工作，即太陽(yáng)能電池電壓VDD和初級(jí)電壓VBAT。 （來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

監(jiān)視VDD和VBAT引腳的電壓，并根據(jù)電壓狀態(tài)執(zhí)行輸入電源的選擇控制。輸入電源（太陽(yáng)能電池或原電池）暫時(shí)存儲(chǔ)在連接到器件VSTORE1引腳的電容中。當(dāng)VSTORE1的電壓達(dá)到某個(gè)閾值或更高時(shí)，電源開關(guān)SWI連接VSTORE1和VOUT1。

該器件可用于與賽普拉斯半導(dǎo)體的EZ-BLE PRoC模塊配合使用的無線傳感器節(jié)點(diǎn)（圖8）。

圖8：賽普拉斯半導(dǎo)體的SAE101A電源管理IC和EZ-BLE PRoC模塊提供無線傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用。 （來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

考慮應(yīng)用

需要考慮的一個(gè)重要因素是能源需求變化的最終應(yīng)用。這些包括家庭和建筑物的太陽(yáng)能加熱，工廠維護(hù)和控制，汽車和醫(yī)療應(yīng)用等等。更換電池和其他存儲(chǔ)設(shè)備的維護(hù)時(shí)間和頻率問題，更不用說成本，必須在不使用能量收集源的情況下，使用電池和/或115 VAC線路電源為電子電路供電。

上述無線傳感能力在電動(dòng)機(jī)增殖并提供振動(dòng)和熱梯度能源的工業(yè)環(huán)境中尤為重要。這種趨勢(shì)受到BLE（藍(lán)牙低能耗）協(xié)議的推動(dòng)。

估計(jì)電動(dòng)機(jī)所有權(quán)的總成本可能很大，即使使用電池，當(dāng)你考慮能量時(shí)可以從那些馬達(dá)中收獲。實(shí)際上，用于收集能量的低壓增壓器模塊在市場(chǎng)上很容易獲得，并且可以設(shè)置用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。