基于bq25505器件的数字电源管理能量收集方案

　　数字电源管理是任何能量收集系统的重要组成部分。数字控制允许单个设备处理具有非常不同要求的各种能源，从光伏电池的最大功率点跟踪 （MPPT） 到压电和高阻抗热源。

　　bq25505器件旨在提取各种能量收集源产生的微功率。数字管理确保二次可充电电池不会被提取的电力过度充电，电压升高，也不会因系统负载而耗尽超过安全限制。

　　如果二次电池电压低于用户定义的阈值，集成多路复用器栅极驱动器会自动将系统负载切换到一次不可充电电池，从而允许设计人员针对不同应用优化系统。

　　图 1：德州仪器（TI ） 的 bq25505显示了数字电源管理的引脚。

　　该设计从一个 DC-DC 升压充电器开始，该充电器仅需几微瓦的功率即可开始工作。主升压充电器由升压输出 VSTOR 供电，如图 1 所示。一旦 VSTOR 电压高于 VSTOR_CHGEN 发生器值（通常为 1.8V），升压充电器就可以有效地从 TEG 或单电池或双电池太阳能电池板，可产生低至 100 mV 的电压。当升压输出小于 100 mV 时，冷启动电路需要至少 330 mV 才能将 VSTOR 充电至 1.8 V。

　　MPPT管理

　　bq25505 实现了一个可编程 MPPT 采样网络，以优化从太阳能电池到器件的功率传输。随着落在电池上的光发生变化，输出在复杂的非线性系统中也会发生变化。

　　一个简单的 MPPT 算法以线性方式跟踪此输出电压，以便优化转换为存储的能量。例如，对于在最大功率点 （MPP） 为其开路电压的 80% 下运行的太阳能电池，电阻分压器可设置为 VIN_DC 电压的 80%，并且网络将控制 VIN_DC 在采样电压附近运行参考电压。

　　为此，使用外部电阻器对 VIN_DC 开路电压进行编程以提供采样率，并且该采样电压由连接到 VREF_SAMP 引脚的外部电容器保持。

　　升压转换器通过将充电器的输入电压（由 VIN_DC 引脚检测到）调节到存储在 VREF_SAMP 引脚上的采样参考电压，间接调制主升压充电器的输入阻抗。MPPT 电路通过定期禁用充电器 256 ms 并对采集器的开路电压 （VOC） 的一小部分进行采样，每 16 秒获得一个新的参考电压。

　　对于太阳能采集器，最大功率点通常为 VOC 的 70%-80%，而对于热电采集器，MPPT 通常为 50%。将 VOC_SAMP 绑定到 VSTOR 在内部将 MPPT 调节点设置为 VOC 的 80%。将 VOC_SAMP 连接到 GND 在内部将 MPPT 调节点设置为 VOC 的 50%。如果输入源没有 VOC 的 80% 或 50% 作为其 MPP 点，则可以通过在 VIN_DC 和 GND 之间连接外部电阻器 ROC1 和 R 来优化 MPPT 的精确比率以满足正在使用的输入源的需要。 -点在 VOC_SAMP。

　　外部控制

　　另一种方法是使用实​​现更复杂 MPPT 算法的外部微控制器来生成可直接应用于 VREF_SAMP 引脚的外部参考电压。

　　这些替代 MPPT 算法包括诸如扰动和观察或增量电导等技术，并且可以在德州仪器 （TI ） 的MSP430等超低功耗微控制器中实施，以实现更多数字控制。

　　

　　图 2：德州仪器 （TI） 的超低功耗 MSP430 控制器可用于实现更复杂的 MPPT 算法，以管理太阳能电池的能量收集。

　　在 Perturb and Observe 算法（也称为爬山算法）中，控制器会少量调整电池电压并测量功率。如果功率增加，则尝试在该方向进行进一步调整，直到功率不再增加。

　　通过增量电导，控制器测量来自电池的电流 （dI/dV） 的增量变化，以预测电压变化的影响。这需要在控制器中进行更多计算，但可以比 Perturb 和 Observe 更快地跟踪电压以提供更高的效率。

　　第三种 MPPT 技术是电流扫描，它扫描电池电流以确定 IV 特性。这可以定期更新并计算出最佳功率曲线。

　　然而，在添加另一个微控制器方面存在重大权衡。基于 RISC 的 16 位 MSP430 控制器在 16 MHz 时使用大约 9 mW 的功率进行计算，并且有自己的数字电源管理要求。虽然它可以从睡眠模式快速通电，但这可能不是一个好处，因为来自能量收集源的电源必须有时间稳定下来。这意味着控制器的启动必须安排在能量收集电源管理器之后启动，与使用 bq25505 中已有的更简单的线性跟踪 MPPT 算法相比，增加了更多的复杂性和功耗。

　　总体权衡取决于应用所需的电量、太阳能电池的大小以及子系统正在处理的其他功能。很可能有一个系统微控制器处理其他功能，这些功能也可用于运行 MPPT 算法。

　　数字电源管理还需要处理各种存储元件的特性；确保避免欠压和过压情况。

　　为防止损坏存储元件，最大和最小电压均根据内部编程欠压 （VBAT_UV） 和用户可编程过压 （VBAT_OV） 电平进行监控。当电池或电容器上的电压降至预设临界水平以下时，管理子系统还会切换电池良好标志以向外部微控制器发出信号。这应该会触发负载电流的脱落，以防止系统进入欠压状态。

　　过压和电池正常 （VBAT_OK） 阈值是独立编程的，因此 bq25505 和外部控制器（例如 MSP430）可以采用不同的电源管理选项。这突出了能量收集子系统和外部控制器中电源管理的平衡。

　　自主多路复用

　　除了升压充电前端之外，bq25505 还为系统提供自主电源多路复用器栅极驱动。这允许自主多路复用两个存储元件，以便为系统负载提供单个电源轨。该多路复用器使用 VBAT_OK 阈值，用户可以通过电阻对其进行编程。这允许用户在系统由能量收集器存储元件供电时设置电平，例如，用于临时电源支持的可充电电池或超级电容器或诸如两节 AA 电池的初级不可充电电池。

　　这种类型的混合系统架构允许根据收割机的可用能量来延长典型电池供电系统的运行时间。如果没有足够的能量来运行系统，则主电池会在 8 µs 内自动切换到主系统电源轨，以提供不间断的运行。

　　毫微功耗管理

　　bq25505 的效率是通过专有的 Nano-Power 管理模块和算法实现的。这会采样并保持 VSTOR 电压以降低平均静态电流，从而使内部电路仅在短时间内处于活动状态，然后在剩余的时间段内以最低可行占空比关闭。这在图 3 中进行了演示，其中监控了图 1 中的 VRDIV 节点。

　　图 3：监控 VRDIV 节点，这是 bq25505 毫微功耗管理的关键部分

　　这里 VRDIV 节点在第一个脉冲上提供到 VSTOR 电压的连接，然后在短时间内为 VBAT_OV 和 VBAT_OK 电阻分压器生成参考电平。作为迟滞控制的一部分，每 64 ms 将每个引脚的分压值与 VBIAS 进行比较，由于这会偏置电阻串，因此只有在管理电路进行连接时，通过这些电阻的电流才有效。这降低了电阻器中的总静态电流，并有助于最大限度地降低总功耗。

　　结论

　　实施能量收集充电子系统需要密切关注功率预算。使用 MPPT 等数字电源管理技术来优化从太阳能电池或热发电机等来源捕获的能量，可以通过电源控制器中已经实现的简单算法或通过在外部超低功耗控制器上运行的更复杂算法来实现。电源微控制器。诸如 bq25505 之类的充电器还可以为欠压、过压和故障转移保护提供数字电源管理，这对于保护储能设备（无论是可充电电池还是超级电容器）至关重要。