探索MAX20361：小型单/多电池太阳能采集器的卓越性能

作为一名电子工程师，在设计项目中追求高效、可靠且小型化的能源采集方案是我们不断努力的方向。今天，我将为大家详细介绍一款来自Analog Devices的优秀产品——MAX20361，一款具备最大功率点跟踪（MPPT）和采集计数器功能的小型单/多电池太阳能采集器。

文件下载：MAX20361.pdf

器件概述

MAX20361是一款高度集成的解决方案，专为从单/多电池太阳能源中采集能量而设计。它集成了超低静态电流（360nA）的升压转换器，能够在低至225mV（典型值）的输入电压下启动。为了最大程度地从源中提取功率，它采用了专有的最大功率点跟踪（MPPT）技术，可在15μW至超过300mW的可用输入功率范围内实现高效能量采集。

同时，该器件还具备集成的充电和保护电路，该电路针对锂离子电池进行了优化，但也可用于为超级电容器、薄膜电池或传统电容器充电。充电器具有可编程的充电截止电压，其阈值可通过I²C接口进行编程，还具备温度关断功能。

特性与优势

宽输入电压范围与高效采集

• 输入电压范围：支持225mV至2.5V（典型值）的输入电压范围，使其能够适应不同光照条件下太阳能电池的输出。
• 高效能量采集：可在15μW至超过300mW的输入功率范围内实现高效采集，在(V{SYS}=3.8 V)、(I{SRC}=30 mA)的条件下，效率高达86%。

小型解决方案尺寸

采用小型的2016 4.7μH电感器，有助于减小整体解决方案的尺寸，非常适合对空间要求较高的应用。

MPPT技术

使用分数开路电压（Fractional VOC）方法，可通过I²C接口对分数VOC调节点进行编程，确保在不同光照条件下都能快速准确地跟踪最大功率点。

可编程功能

• 电池/超级电容器充电：可通过I²C接口对电池终止电压进行编程，实现灵活的充电控制。
• 电源良好唤醒信号输出阈值：可通过I²C接口对其进行编程，方便系统根据不同的电源状态进行唤醒操作。

应用领域

MAX20361的出色性能使其在多个领域都有广泛的应用：

• 可穿戴健身设备：为可穿戴健身设备提供稳定的能量供应，确保设备长时间运行。
• 医疗设备：满足医疗设备对能量采集和管理的严格要求，保障设备的可靠性。
• 工业物联网传感器：在工业环境中，为传感器提供持续的能量支持，实现数据的实时采集和传输。
• 资产跟踪设备：帮助资产跟踪设备摆脱对传统电池的依赖，延长设备使用寿命。
• 无线传感器网络：为无线传感器网络中的节点提供高效的能量采集，降低维护成本。

技术细节剖析

升压转换器

MAX20361的升压转换器经过优化，可高效地从单/多电池太阳能源中采集能量。其开关频率并非固定不变，而是会根据SRC电压、SYS电压和电感值进行调整。当SRC电压降至其调节点以下时，升压操作将停止。为了减少SRC纹波，需要使用SRC电容，但电容值对稳定性的影响并不关键。同时，系统会对SYS电压进行监测，当达到调节点时，升压操作将停止，以避免电池过充或SYS节点出现过压情况。

采集计数器

该器件能够在HarvCntH(0x0A)和HarvCntL(0x0B)寄存器中报告升压转换器在最后Tmeas5:4时间内的开关周期计数。这个“采集计数”与该时间段内采集的电流成正比。为避免误读，如果在最后Tmeas周期内由于热监测、开路电压测量、SYS过压检测、睡眠模式或I²C命令导致升压停止，则HarvCntH和HarvCntL的更新将被禁止。每当加载新的有效HarvCntH/L值时，HARrdy4位将被置位。

最大功率点跟踪（MPPT）

在正常运行期间，MAX20361会自动测量开路电压，并计算出从太阳能电池传输最大功率的最佳SRC电压。每Tper1:0（默认情况下为64 x Tmeas，Tmeas = 50ms，即每3.2s），或在I²C请求时，内部升压将停止Tmeas5:4时间，然后使用内部8位ADC测量SRC电压。

SRC调节点通过将SRC处的测量电压乘以Frac4:0字段来计算。上电时，MAX20361会根据Frac[4:0]的值和VOC[7:0]的默认值来调节SRC电压，直到进行第一次VOC测量或对VOC[7:0]寄存器进行I²C写入操作。

为了适应SRC测量时间，如果ATmeas3位被置位，MAX20361将根据最后测量的“采集计数”（HarvCntH/L寄存器）来调整测量时间。当ATper2位被置位时，器件会自动调整测量周期。上电复位后，器件会忽略第一次采集计数结果，并将第二次结果存储在HarvCntH和HarvCntL寄存器中。如果未来的采集计数与存储的采集计数相差2倍以上，Tper定时器将复位，并立即强制进行新的VOC测量。

低光照睡眠模式

为了节省功率，当采集计数器的值低于SlpThd7:0阈值（默认值为0x00），或者VOC[7:0]通过VOC测量或直接I²C写入被设置为低于默认VOC值时，MAX20361将进入睡眠模式。在睡眠模式下，内部参考、升压和THM监测将关闭，SYS和THM将不再被监测，WAKE输出将被强制拉低。器件将保持睡眠模式，直到下一次VOC或THM测量，或者对VOC[7:0]写入一个等于或高于默认VOC值的值。在冷启动期间，低功耗模式将被禁止。

WAKE输出

除了在关机或睡眠模式下，MAX20361会监测SYS输出。当SYS高于WAKE阈值至少7到8 x Tmeas（典型值）时间时，WAKE输出将被置位（WAKEbSt0位将被设置为0）。当器件进入睡眠或关机模式时，WAKE输出将被强制拉低。

热监测

当ThmEn3为1时，MAX20361会监测THM上的电压。如果FrcTHM6为1，则器件会进行一次VTHM检查；如果THMper6为1，则会每隔Tper1:0时间进行一次周期性检查。在检查过程中，MAX20361会将REF驱动至1.2V（典型值），持续1ms（典型值）。由THM到REF的上拉电阻和THM到地的NTC热敏电阻组成的分压器会为THM提供一个与温度成比例的电压。当(V_{THM })高于(VREF)的57.5%或低于(VREF)的18.7%时，THMflag6将被置位，升压操作将停止。如果使用β = 3380的10kΩ NTC热敏电阻和22kΩ上拉电阻，这些阈值分别对应于0°C和45°C。

器件还会在上电和EN下降沿进行THM检查。在第一次THM检查完成之前，将假定存在故障条件。

关机模式

当EN引脚为高电平或DeviceEnb1为1时，器件将进入关机模式。在这种状态下，电流消耗将被最小化，SYS、THM和SRC将不再被监测，WAKE输出将被强制拉低，内部振荡器将关闭。除了I²C相关的值外，所有内部逻辑都将保持复位状态。在关机状态下，只有(V{CC})上的上电复位（POR）是激活的，(VCC) - SYS开关将保持断开，直到(V{CC})高于POR阈值。当EN为低电平且DeviceEnb为0时，器件将退出关机模式。

冷启动功能

MAX20361的冷启动功能使其即使在(Vsys)低于唤醒阈值或不存在的情况下也能启动。在冷启动时，器件最初会使用低功耗电荷泵从SRC上的电源（如太阳能电池）为(VCC)充电，而此时SYS不会被充电。一旦(VCC)充电至高于POR电平，内部参考将被启用，主升压将接管电荷泵的工作。随着主升压继续充电，(VCC)和SYS将充电至高于唤醒阈值，(VCC) - SYS开关将闭合，器件将由SYS供电，完成冷启动过程，进入正常运行状态。

源钳位功能

通过DISintb4位，可将INT输出重新配置为推挽式DISsrc输出，以驱动外部钳位电路，防止SRC出现过压情况。钳位电路可由外部nMOS和负载电阻组成。当钳位电路开启时，SRC将通过外部负载电阻放电。当升压转换器启用时，DISsrc将被驱动以转移多余的输入电流，从而使SRC能够进行调节。在关机模式下，DISsrc输出将被静态驱动为高电平。在VOC测量和睡眠模式期间，DISsrc输出将被禁用。

应用设计要点

电感选择

升压调节器的正常运行需要选择合适尺寸和值的电感器。电感器必须连接在SRC（引脚B1）和LX（引脚C1）之间。为了优化升压调节器的性能，如效率，推荐使用标称电感值为4.7µH ± 20%的电感器。电感器应具有低串联电阻（DCR），以最小化损耗并保持高效率。推荐的电感范围为4.7µH至22µH。

电容选择

所有选择的电容器都需要具有低泄漏特性。电容器的任何泄漏都会导致效率损失、静态电流增加，并降低能量采集过程的有效性。数据手册中规定的电容值是考虑了电压降额后的有效电容值。由于小陶瓷电容器在直流偏置增加时会迅速失去有效电容，因此需要确保直流降解不会影响位于(VCC)、SRC和SYS的旁路电容器的有效电容。

• SRC电容：连接到引脚SRC（CSRC）的电容器用于最初存储来自采集输入源的能量。输入能量源的输出电容决定了SRC电容器的值。推荐的最小有效电容为10µF。对于10µH和22µH的电感，推荐使用更大的电容（22µF）。
• SYS和(VCC)电容：需要在MAX20361的系统输出（CSYS）上连接一个旁路电容器。该电容器需要具有低等效串联电阻（ESR），推荐的有效电容为1µF。

nMOS晶体管选择

源钳位电路中使用的nMOS晶体管需要满足特定的要求。对于该应用，栅极到源极的阈值电压和驱动电压必须低于2V。以下是一些推荐的nMOS晶体管：	制造商	型号	漏极到源极电压（V）	连续漏极电流（A）	栅极到源极阈值电压（V）	驱动电压（V）
Diodes Incorporated	DMN2230U - 7	20	2	1	1.8
ON Semiconductor	FDMA410NZ	20	9.5	1	1.5
Diodes Incorporated	DMC1028UVT - 7	12	6.1	1	1.8

I²C接口与寄存器配置

I²C接口

MAX20361包含一个与I²C兼容的接口，用于与主机控制器（SCL和SDA）进行数据通信。该接口支持高达400kHz的时钟频率。SCL和SDA需要连接到正电源的上拉电阻。在使用I²C写入MAX20361时，主机会发送一个起始条件（S），然后是MAX20361的I²C地址。之后，主机会发送要编程的寄存器地址。最后，主机会通过发出停止条件（P）来结束通信，或者通过发出重复起始条件（Sr）来与另一个I²C从机进行通信。

寄存器配置

MAX20361的寄存器提供了丰富的配置选项，可用于控制器件的各种功能。以下是一些重要寄存器的简要介绍：

• DeviceID (0x00)：用于读取芯片的标识和版本信息。
• Status (0x01)：包含多个状态位，如VOCValid、THMflag、HSYSFlag等，用于指示器件的各种状态。
• SysRegCfg (0x04)：用于配置SYS的调节模式和充电阈值。
• WakeCfg (0x05)：用于配置唤醒阈值和VOC、THM测量周期。
• MpptCfg (0x06)：用于设置MPPT的分数VOC调节点。
• MeasCfg (0x07)：用于配置测量时间和周期。

结语

MAX20361以其卓越的性能和丰富的功能，为单/多电池太阳能采集应用提供了一个理想的解决方案。它的超低静态电流、高效的MPPT技术、灵活的充电控制以及多种保护功能，使其在可穿戴设备、医疗设备、工业物联网等领域都具有广阔的应用前景。在实际设计中，我们需要根据具体的应用需求，合理选择电感、电容和nMOS晶体管，并正确配置寄存器，以充分发挥MAX20361的优势。大家在使用MAX20361的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。