能量收集功率转换的进展

今天，当我们谈论能量收集时，我们通常使用电源一词来取代电气设备中的电池。因此，1980年代的袖珍计算器的例子非常适合我们今天试图通过“能量收集”实现的目标。

能量收集系统的设置

能量收集系统中最重要的物品显然是收集器，最常见的是太阳能电池。收割机产生的电力需要转换为有用的电压或电流，为系统供电或为超级电容器和电池等中间储能设备充电。当系统通电时，需要为电子设备产生正确的电压。图 1 显示了执行许多不同任务的电源管理单元。匹配输入阻抗以允许最大收集的能量，为中间储能充电，从传统原电池路由电源，为系统生成正确的输出电压，并监控电流和电压以生成可靠的系统。所有这些任务都需要在极小的电源下完成，以便系统可以与小型收割机或传感器一起工作。这些功能在DC-DC转换器中的高度集成有助于降低此类任务所需的功耗。

图1中的系统显示了无线环境传感器的典型能量收集系统。这些传感器通常用于感测温度、湿度或不同的气体，如 CO2。能量收集还有许多其他应用。工业应用可以在无线占用传感器的安全和监控或工业监控（如资产跟踪和机器监控）中找到。

能量收集还用于消费电子产品，如便携式和可穿戴设备。在家庭医疗保健应用中，无线患者监控需要在没有电池寿命的情况下运行或延长电池寿命。

今天，能量收集是一个非常受欢迎的话题。许多工程师必须评估能量收集解决方案是否可以取代或补充现有的电源解决方案。这种系统今天如此受欢迎的原因是，我们终于达到了一个平衡点，从相对低成本和小尺寸的收割机收集的功率足以为非常低能耗的微控制器和射频电路供电。在过去几年中，发电和能源消耗都取得了进步，因此今天许多5到10年前不切实际的应用现在成为可能，并且在经济上可行。

图1.能量收集系统设置。

不同的能源来源

有不同的能源，最常见的是光伏 （PV）、热电 （TEG）、电磁、压电和射频。 光伏和热电收集器产生直流电压，而电磁、压电和射频收集器产生变化或交流电压。这使得对电源转换技术的要求略有不同。

图 2 显示了不同的收割类型和 10 平方厘米的收割机大致可以产生的能量。它在左侧显示能量产生，在右侧显示不同任务的能耗。请注意，中心的功率刻度是对数的。此图对于了解想法的可行性非常重要。很多时候，设计人员投入精力来评估能量收集解决方案，却发现收集的能量不足以为给定系统供电。

图2.不同的能源来源和不同应用所需的能源需求。

DC-DC转换器单元的重要性

功率转换和管理通常是现代能量收集系统的核心。虽然有些应用不使用复杂的功率器件，但许多应用会使用。没有智能电源管理的系统示例是一堆菊花链太阳能电池，产生相对较高的直流电压，直接为系统供电，或者中间有一个简单的线性稳压器。此类系统通常不具有最佳的能效，或者没有经过良好调节的电源电压。虽然某些负载可能在电源电压变化很大的情况下工作，但其他负载则不能。未来，更先进的系统更有可能需要某种形式的电压转换器和管理模块。

图3.用于能量收集应用的电源管理器件框图。

图3显示了用于能量收集应用的现代电源管理器件的框图。它包含带电荷泵的启动电路，允许输入端的启动电压为380 mV。系统运行后，ADP5090的内部电路由ADP5090的输出电压供电。这是为能量收集系统负载供电的节点。一旦该节点高于1.9 V，输入电压可能会降至80 mV，同时仍能够收集能量。这在次优情况下花费大量时间的系统非常有用。例如，太阳能电池供电的室内传感器。在早上和晚上，太阳能电池上的光可能很少，产生的电力很少。利用这段时间收集一些能量可以帮助给定时间段内的总功率预算。在这种情况下，另一个有助于帮助的方面是ADP5090的低静态电流。警觉时，电流消耗仅为260 nA。图 4 显示了一个典型的实际应用。该图显示了住宅楼中的不同位置以及带有太阳能电池的传感器在黑暗中花费的典型时间。当然，这只是一个典型的案例。传感器将看到的光量取决于房屋的结构，包括窗户的数量、正在使用的电光量以及传感器的确切位置。此外，一年中的时间和房屋的位置也会影响这样的图表。关键是，在如此多变的光照条件下，ADP5090的低功耗极大地有助于总功率预算，尤其是在大部分时间都在黑暗中度过的地方。

图4.传感器在不同住宅建筑位置在黑暗中花费的典型时间。

ADP5090中的DC-DC转换器级非常有趣。它有一个调节环路，就像大多数DC-DC转换器一样。但是，它不调节输出电压，也不调节输出电流。调节环路主要以调节输入阻抗的方式设置。

太阳能电池具有如图5所示的电流和电压行为。在没有电流流动的开环条件下，提供的电压处于最大值。然后，当电流开始流动时，电压下降。在非常高的电流下，电压急剧下降。在曲线的中间，有一个膝盖是峰值功率的点。这是电压仍然相对较高的地方，也是消耗大量电流的地方。为了在接近最大峰值功率点附近运行，我们需要跟踪该点。仅设置我们绘制的固定电流值是行不通的，因为图5中给定太阳能电池的曲线会根据不同的光照条件而移动。为了跟踪MPP（最大峰值功率点），ADP5090停止在输入端传导电流，在不加载的情况下检查太阳能电池电压，然后在接下来的16秒内设置MPP。在此时间段之后，将再次执行开环检查。事实证明，16 秒是在远离 MPP 和过于频繁地中断收获操作之间很好的折衷方案。

图5.典型光伏电池的电压和电流图。

MPP 跟踪可确保从电源（例如光伏电池或热电发电机）收集大部分能量。电源管理单元仍有其他任务。例如，它需要在一定的电压窗口中控制输出电压。ADP5090的作用类似于电流源，为超级电容或电池充电。该元素对于将能量收集与能源消耗分离非常重要。这使得许多没有恒定可用能量源的系统能够在设定的时间间隔内收集和执行某些系统任务。例如，无线传感器网络中需要每五分钟发送一次温度值的传感器。如果传感器由太阳能电池供电，由于中间能量存储，它仍然可以在黑暗时期运行。

当今非常流行的架构涉及将能量收集连接到由原电池供电的系统。使用不可充电电池的成功产品可以通过增加能量收集来延长系统的使用寿命。这在不影响系统可靠性的情况下延长了运行时间。对于此类混合系统，ADP5090提供控制原电池的能力。一旦没有足够的收集能量可用，来自原电池的电源路径就会被路由以直接为负载供电。

图6.能量收集应用的电源管理级示例。

图6显示了一个完整的能量收集功率级，不仅包含主ADP5090 MPPT能量收集IC，还包含第二个IC ADP5310。它是一种DC-DC转换器，可非常有效地产生两个输出电压。输出电流为100 μA时，效率接近90%。此外，ADP5310还集成了一个负载开关。该负载开关可用于关闭负载，否则即使不使用，也会不断消耗功率。

ADP5310降压转换器可以接受高达15 V的输入电压。这使得该器件可以直接用于交流电压发生器，例如压电或电磁类型。只需一个桥式整流器，输出电压即可直接馈入ADP5310。

如今，许多电源管理集成电路都是专门为能量收集应用而设计的。它们使系统能够与较小的收集器一起运行，或者使几年前无法设计的能量收集解决方案成为可能。系统设计人员现在正在实施一些伟大的想法，我们将在不久的将来看到并惊叹于这些想法。

审核编辑：郭婷