能量采集系统的电源管理选择策略

　　在过去几年中，许多公司都在努力开发‘永不断电’的免电池供电系统，这些系统可以利用环境能量进行作业。开发这种系统所需的关键积体电路（IC）是超低功耗微处理器、射频电路和电源管理IC （PMIC）。

　　虽然业界在低功耗微处理器和射频电路领域中已经取得了相当大的进步，但适合能量採集应用的PMIC最近几年才开始投入市场。本文首先简要介绍一些可用的环境能源，然后详细讨论为这些能源选择PMIC时需要考虑的因素。

　　环境能源从广义上可以分成直流（DC）电源和交流（AC）电源。DC电源主要从随时间缓慢变化的能源採集能量，例如，分别使用太阳能电池板和热电式发电机的光强度和热梯度，这些採集器的输出电压不必再进行整流。

　　AC採集器主要使用压电材料、电磁产生器和整流天线，从振动和射频能源採集能量。这些能量採集器的输出，在用来为系统供电之前必须先整流为DC电压。本文只讨论DC能量採集器，因为与AC採集器相较，使用这些DC能源的能量採集器更容易大量实现。

　　图1显示能量採集系统的常见架构。整个系统由环境能源、能量缓衝器（超级电容器/电池）、PMIC和系统负载组成。由于来自能源的可用能量取决于随时间变化的环境条件，因此这些能量要在可用时被撷取出来，并储存在能量缓衝器中。

　　

　　图1：典型的能量采集系统架构图。

　　系统负载从能量缓衝器供电。这样即使没有可用的环境能量，整个系统也能运作。电源管理单元本身由DC/DC电源转换器（具有连接能量採集器的最佳介面）、电池管理电路、输出稳压器和冷开机单元组成。以下讨论每个模组的功能和设计考虑要素。

　　充电器

　　充电器的功能是从太阳能电池板，或热电式发电机（TEG）获取最大可用的能量，然后将这些能量传送到储存单元。针对充电器所要考虑的首要因素包括拓墣、效率、最大能量撷取网路和复杂性。普通充电器拓扑包括线性降压（LDO）稳压器、降压转换器、升压转换器和降压－升压转换器。

　　对于太阳能电池板来说，拓扑主要取决于太阳能电池板堆叠的输出电压。一般而言，单节电池太阳能电池板的输出电压是0.5V。因此，对于具有单节电池和两节电池太阳能电池板的系统，要求採用升压转换器拓扑，因为电池电压对于NiMH通常要大1.2V，对于锂离子电池要大3V。至于数量更多的串联式电池，可以使用二极体整流器、降压稳压器或LDO等其它转换器。对于TEG而言，输出电压範围从10mV至500mV。因此，升压转换器是首选拓墣。可以将许多TEG串列堆叠起来，获得更高的电压，以便使用LDO或降压稳压器。不过，这种方案的缺点是具有较大的TEG堆叠串联阻抗。

　　为了从太阳能电池板或热电式发电机撷取最大的能量，电池板或TEG必须工作在最大功率点。为了理解能量採集器工作在最大功率点的需求，可以分别考虑如图2a和图2b所示的太阳能电池板和TEG模型。

　　

　　图2：a）太阳能电池板模型，b）热电式发电机模型。

　　太阳能电池板可以建模成一个提供电流的反向偏置二极体并联一个寄生电容器（CHRV）；二极体的电流输出正比于光强度。TEG模型由一个电压源串联一个电阻组成；电阻型号和TEG的内部阻抗取决于TEG的材料属性和尺寸。

　　典型的太阳能电池板和TEG的电流与电压，以及功率与电压的关係分别如图3和图4所示。从图中可以看到，对太阳能电池板而言，在开路电压（OCV）约80%处可以获得最大功率。同样，对于TEG而言，可以在OCV的50%处获得最大功率点。

　　

　　图3：太阳能电池板的电压与电流、电压与功率关係。

　　

　　图4：热电式发电机的电压与电流、电压与功率关係。

　　从图3所示的曲线可以明显看到，需要一个介面电路来撷取可用的最大功率。最大功率撷取电路，透过动态调整电源转换器的输入阻抗来取最大功率。对太阳能收集来说，最大功率撷取是使用简单技术完成的，比如输入电压稳定在固定的一小部份开路电压值、输入电流稳定在固定的一小部份短路电流值，或者使用复杂的基于微处理器的技术。

　　有多种技术可以从热电式发电机撷取最大功率，包括动态改变DC/DC转换器的开关频率，将DC/DC转换器的输入电压稳定在开路电压的50%处。在所有这些转换器中，输出电压都由能量缓衝器决定。

　　值得注意的是，转换器拓扑的选择是在设计复杂性、元件数量和效率之间的折衷。开关转换器通常可以提供比线性稳压器更高的效率，但代价是增加了元件数量、设计复杂性和电压板空间。

　　电池管理电路

　　在能量採集系统中，能量缓衝器用于储存从能量採集器获得的间歇能量。然后再用这种储存的能量为系统供电。这种架构允许整个系统即使在能量是间歇获得的条件下也能连续工作。常用的能量缓衝器包括，採用不同化学物质的可充电电池以及超级电容器。电池管理电路有两大功能：首先，它能监视能量缓衝器上的电压，并确保这个电压在由欠压（UV）和过压（OV）阈值确定的安全工作範围内；其次，它能监视能量缓衝器的容量，并向负载指示执行有用工作的可用能量。

　　容量测量可以用简单技术完成，例如监测能量缓衝器上的电压，或使用燃料测定技术，这种技术可测量电池输出和吸收的电压与电流。在使用简单的电压技术提供能量缓衝器遗留容量指示的情况下，可以实现被称为电能良好等级的使用者可程式设计中间电压值。

　　电池管理部份的设计考虑要素取决于使用的能量缓衝器。对于可充电电池而言，0V和UV闸限基于电池化学成份。对于超级电容器来说，OV和UV闸限则取决于IC的绝对最大额定值，以及电容器的绝对最大额定值中较低的值。使用针对能量缓衝器的最优设置参数，可以大幅延长系统寿命。

　　电池管理部份的另外一个设计考虑因素是，电池管理部份消耗的静态电流。电池管理模组中的电路包括参考基準、比较器和数位逻辑等建构模组。这些电路消耗的电流必须最小化。这是因为电池管理部份使用的任何能量都会洩漏电池能量，这部份能量是无法提供给外部负载的。

　　冷开机

　　冷开机单元是一款可选模组，可能出现在典型的能量採集PMIC中，也可能不出现。冷开机单元的功能是当储存单元中储存的能量不够时为系统进行引导。

　　冷开机单元的设计取决于具体应用。对于太阳能应用来说，可以使用输入供电（相对于电池供电）的振盪器，来驱动暂时低效率的开关转换器的开关。一旦能量缓衝器中建立起足够的能量，高效率的开关转换器就可以接管了。

　　对于热电式发电机而言，冷开机单元可以使用变压器耦合式振盪器拓扑实现，或使用系统的机械运动实现。这种模组的设计考虑因素包括最小启动电压、启动功率、峰值突波电流和启动所需的时间。

　　稳压器

　　稳压器的功能是从电池提供稳定的电压。这个模组的拓扑取决于电池、系统负载要求和静态电流。

　　本文小结

　　本文讨论为DC能量採集应用设计，以及选择电源管理IC时要考虑的关键因素，包括针对每个IC建构模组的设计考虑要点。用于能量採集的PMIC，可以将某些或全部功能都整合在单个IC上。PMIC的选择取决于能量採集源、能量缓衝器和系统负载。