作者：Karthik Kadirvel，John Carpenter，Brian Lum-Shue-Chan
德州儀器(TI)
過去幾年,，各大公司都做出了相當(dāng)大的努力，目標(biāo)是讓一些持續(xù)供電和無電池型系統(tǒng)能夠利用自然能工作,。開發(fā)這種系統(tǒng)所需的關(guān)鍵集成電路(IC) 是超低功耗微處理器、無線電器件和電源管理IC,。盡管我們在低功耗微處理器和無線電器件方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步,，但適用于能源采集應(yīng)用的一些電源管理IC 只到最近才出現(xiàn)在市場上。本文將簡單介紹一些可用自然能源,，之后將詳細(xì)討論為這些能源選擇PMIC 時(shí)需要考慮的因素,。
自然能電源廣義上可劃分為直流(DC) 電源和交流(AC) 電源,。DC 電源包括采集自各種能源的采集能量，它們隨光照強(qiáng)度和熱梯度變化較慢,，使用太陽能電池板和熱電發(fā)電機(jī),。這些采集器的輸出電壓不必經(jīng)過整流。AC 集成器包括使用壓電材料,、電磁發(fā)電機(jī)和整流天線,，采集自振動(dòng)和射頻功率的能量。在用于為某個(gè)系統(tǒng)供電以前,，必須對這些能源采集器的輸出整流至某個(gè)DC 電壓,。本文中,，只有DC 能源采集器被看作是利用這些能源的能量采集器,，相比AC 采集器，它更容易獲得高輸出,。
圖1一般能源采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1 顯示了能源采集系統(tǒng)的一般架構(gòu),。該總系統(tǒng)由自然能電源、能量緩沖器（超級電容器/電池）,、電源管理集成電路(PMIC) 和系統(tǒng)負(fù)載組成,。由于能源可用能量取決于隨時(shí)間變化的環(huán)境條件，因此獲取能源能量后存儲于能量緩沖器,。系統(tǒng)負(fù)載通過能量緩沖器供電驅(qū)動(dòng),。這樣做可讓系統(tǒng)在沒有可用自然能的情況下仍然能夠正常工作。電源管理單元由一個(gè)DC/DC 功率轉(zhuǎn)換器（能源采集器接口經(jīng)過優(yōu)化）,、電池管理電路,、輸出穩(wěn)壓器和冷啟動(dòng)單元組成。接下來,，我們將逐一討論這些模塊的功能和設(shè)計(jì)考慮因素,。
充電器
充電器的功能是從太陽能電池板或者TEG 獲取最大有效能量，然后將其傳輸至存儲組件,。充電器的主要考慮因素包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),、效率、最大功率提取網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜度,。常見充電器拓?fù)浒ň€性壓降(LDO) 穩(wěn)壓器,、降壓轉(zhuǎn)換器、增壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器,。
使用太陽能電池板時(shí),，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要取決于太陽能電池板堆棧的輸出電壓。一般而言,，單節(jié)電池太陽能板的輸出為0.5V,。因此,，對于單節(jié)電池和兩節(jié)電池太陽能板的系統(tǒng)來說，要求使用一個(gè)增壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)殒嚉潆姵睾弯囯x子電池的電池電壓一般大于1.2V 和3V,。更多串聯(lián)電池時(shí)，可以使用如二極管整流器,、降壓穩(wěn)壓器或者LDO等其它轉(zhuǎn)換器,。就熱電發(fā)電機(jī)而言，輸出電壓范圍為10mV 到500 mV,。因此,，使用熱電發(fā)電機(jī)(TEG) 時(shí)，我們主要選擇增壓轉(zhuǎn)換器,。串聯(lián)堆疊許多TEG來獲得更高的電壓是可能的,，這樣便可以使用LDO 或者降壓穩(wěn)壓器。這種方案的缺點(diǎn)是存在較大的TEG 堆棧串聯(lián)阻抗,。
圖2(a-b),、太陽能電池板和熱電發(fā)電機(jī)模型
為了從太陽能電池板或者熱電發(fā)電機(jī)獲取最大功率，電池板或者TEG 必須工作在其最大功率點(diǎn),。要理解能源采集器需在其最大功率點(diǎn)下工作的原因,，請分別參見圖2a和圖2b所示太陽能電池板和TEG 模型?？蓪⑻柲茈姵匕褰橐粋€(gè)反向偏置二極管,，其提供寄生電容(CHRV) 并聯(lián)電流。二極管的電流輸出與光照強(qiáng)度成比例關(guān)系,。熱電發(fā)電機(jī)模型由一個(gè)與電阻器串聯(lián)的電壓源組成,。電阻器模型和TEG 內(nèi)部阻抗取決于材料屬性和TEG 的體積。使用典型太陽能電池板和TEG 時(shí),，圖3 和圖4 分別顯示了電流對電壓和功率對電壓情況,。您可以看到，就太陽能電池板而言,，在約80% 開路電壓(OCV) 時(shí)得到最大功率,。類似地，就TEG 而言,，在50% OCV 時(shí)獲得最大功率點(diǎn),。
根據(jù)圖3所示曲線圖，可以很清楚地知道,，需要一個(gè)接口電路來獲得最大有效功率,。最大功率提取電路動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，以獲得最大功率,。在進(jìn)行太陽能采集時(shí),，利用開路電壓固定部分輸入電壓調(diào)節(jié),、短路電流固定部分輸入電流調(diào)節(jié)等簡單技術(shù)，或者使用一些基于微處理器的復(fù)雜技術(shù),，可以實(shí)現(xiàn)最大功率提取,。
圖3太陽能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖
圖4熱電發(fā)電機(jī)的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖
從TEG 提取最大功率的一些技術(shù)包括動(dòng)態(tài)改變DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，然后在50% 開路電壓對DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié),。在所有這些轉(zhuǎn)換器中,，輸出電壓都由能量緩沖器決定。
請注意,，轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇,，是在設(shè)計(jì)復(fù)雜度、組件數(shù)目和效率之間進(jìn)行權(quán)衡的一個(gè)過程,。開關(guān)式轉(zhuǎn)換器一般擁有比線性穩(wěn)壓器更好的效率,，但代價(jià)是組件數(shù)目更多、設(shè)計(jì)更復(fù)雜且占用電路板空間更大,。
電池管理電路
在能源采集系統(tǒng)中,，能量緩沖器用于存儲來自能源采集器的有效間歇性能量,。之后,，使用所存儲的能量為系統(tǒng)供電。即使可用能源存在不連續(xù)的情況下,，這種架構(gòu)也可讓總系統(tǒng)持續(xù)工作,。常用能量緩沖器包括各種化學(xué)物質(zhì)的可重復(fù)充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個(gè)主要功能,。首先,，它對能量緩沖器的電壓進(jìn)行監(jiān)控，確保該電壓在由欠電壓(UV) 和過電壓(OV) 閾值確定的安全工作區(qū)域內(nèi),。其次,，它對能量緩沖器的容量進(jìn)行監(jiān)控，并為有效工作所需能量可用情況相關(guān)的負(fù)載提供指示,。利用一些簡單的技術(shù),，例如：能量緩沖器電壓監(jiān)控或者使用電量計(jì)方法，對電池的輸入,、輸出電壓和電流進(jìn)行測量,，便可完成對電量的測量。當(dāng)使用簡單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時(shí),，我們可以實(shí)現(xiàn)一種被稱作電力良好水平的用戶可編程中間電壓電平,。
電池管理部分的設(shè)計(jì)考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復(fù)充電電池時(shí),，OV 和UV 閾值基于電池的化學(xué)物質(zhì)組成,。使用超級電容器時(shí),，OV 和UV 閾值由IC 和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設(shè)置,，可以最大化系統(tǒng)的壽命,。電池管理部分的另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素是電池管理部分消耗的靜態(tài)電流。電池管理模塊電路包括基準(zhǔn),、比較器和數(shù)字邏輯等基礎(chǔ)模塊,。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因?yàn)?，電池管理部分使用的任何能量都會使電池漏電,，并且這種能量并未提供給外部負(fù)載。
冷啟動(dòng)
冷啟動(dòng)單元是一種備選模塊,，在典型能源采集PMIC 中可有可無,。冷啟動(dòng)單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時(shí)幫助系統(tǒng)啟動(dòng)。具體冷啟動(dòng)單元設(shè)計(jì)取決于不同的應(yīng)用,。就太陽能應(yīng)用而言,，我們可以使用一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)型（相對于電池供電型）振蕩器來驅(qū)動(dòng)暫時(shí)低效的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量,，高效開關(guān)式轉(zhuǎn)換器便可接管,。就熱電發(fā)電機(jī)而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓?fù)浠蛘呃孟到y(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng),，來實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)單元[2,3],。這種模塊的設(shè)計(jì)考慮因素為最小啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)功率,、峰值浪涌電流和啟動(dòng)所需時(shí)間,。
穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器的功能是對電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提供穩(wěn)定的電壓,。這種模塊的拓?fù)淙Q于電池,、系統(tǒng)負(fù)載要求和靜態(tài)電流。
總結(jié)
本文中,，我們討論了適用于DC 能源采集應(yīng)用的電源管理IC 設(shè)計(jì)或者選擇過程中需要考慮的一些重要因素,，包括每個(gè)IC 基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)考慮因素等。能源采集PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在單塊IC 上,。PMIC 選擇取決于能源采集源,、能量緩沖器和系統(tǒng)負(fù)載。
參考文獻(xiàn)
1,、《6 引腳SC-70 封裝的低輸入電壓升壓轉(zhuǎn)換器》(TPS61220),，2009 年1 月TI 產(chǎn)品說明書(SLVS776)。
2、《35mV 啟動(dòng)電壓免電池長效節(jié)能設(shè)計(jì)的熱電能量采集接口電路》,，作者：Yogesh Ramadass, Anantha Chandrakasan,，刊發(fā)于2011 年1 月《IEEE 固態(tài)電路雜志》。
3,、《熱電發(fā)電機(jī)低輸入電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)》,，作者：John Damaschke，刊發(fā)于1997年《IEEE 工業(yè)應(yīng)用雜志》第3 卷No. 55 第1203 頁– 1208 頁,。
作者簡介
Karthik Kadirvel現(xiàn)任TI 微型電源能量采集產(chǎn)品部的混頻信號設(shè)計(jì)工程師,。他畢業(yè)于美國弗羅里達(dá)大學(xué)(University of Florida)，獲博士學(xué)位,。
John Carpenter現(xiàn)任TI 微型電源能量采集產(chǎn)品部系統(tǒng)工程師,。他畢業(yè)于美國南弗羅里達(dá)大學(xué)(University of South Florida)，獲碩士學(xué)位,。
Brian Lum-Shue-Chan 現(xiàn)任TI 電池管理產(chǎn)品部設(shè)計(jì)經(jīng)理,。他畢業(yè)于美國佐治亞州亞特蘭大喬治亞理工學(xué)院(Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia)，獲電子工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位,。