能量收集电源管理在物联网中的重要性

城市是物联网的完美环境。可以采用传感器为许多不同的应用提供有用的数据，并且相对小的数据分组意味着可以折衷无线链路的比特率以降低功耗。这对于拥有数千甚至数百万个节点的网络至关重要。世界各地的项目正在研究从环境中获取能量以为这些传感器节点供电的方法。太阳能，热能，振动甚至射频能量都被评估为电源。

这与长距离广域网（如蜂窝电话）不同，需要覆盖可能跨越许多英里部署的传感器。在这里，无线链路的能量需求通常会排除使用能量收集源。

相反，基于城市的节点可能会使用一系列不同的低功率无线协议，范围从低于GHz的低频电力远程网络（LPWAN）到2.4 GHz蓝牙智能和ZigBee技术以及专有网状网络。

由于能量收集源具有可变的低电流，因此对电源有高度专业化的要求管理单元（PMU）为无线收发器，微控制器和传感器提供电源。

尽管PMU集成度越来越高，但这种无线节点的能量收集电源的设计需要注意电容器和电感器可提供最佳功率。

ADI公司的ADP5091 PMU可用于转换6μW至600 mW范围内的直流电源，以应对光伏（PV）电池或热能的变化用于无线传感器的发生器（TEG）颂歌。这些设备为可充电锂离子电池，薄膜电池，超级电容器或传统电容器等存储元件充电，为传感器提供稳定的电流。这也可以提供收发器将数据发送到本地网关所需的更高功率。

设计的关键要素是内部冷启动电路，以便稳压器可以在输入电压下工作低至380 mV。冷启动后，稳压器可以处理0.08 V至3.3 V的输入电压范围，另外150 mA稳压输出可通过图1中的外部电阻分压器或VID引脚进行编程。

图1：ADP5091可以处理可变低能源，如光伏太阳能电池板和热能发电机。

当与光伏电池一起使用时，控制器保持输入电压纹波在固定范围内，以便在最有效的点保持稳定的DC-DC升压转换。动态感应模式允许从收割机中提取最高可能的能量，并具有可编程的最小操作阈值，以便在低输入条件下快速关闭。

设备的充电控制功能保护可充电储能，这是通过可编程充电终止电压和关机放电电压监测电池电压来实现的。此外，可编程PGOOD标志监视SYS电压。可选的主电池可以通过集成的电源路径管理控制块进行连接和管理，该控制块可编程以从能量采集器，可充电电池和原电池电池切换电源。

开关模式同步升压调节器，外部电感连接在VIN和SW引脚之间，工作在脉冲频率调制（PFM）模式，将存储在输入电容器中的能量传输到连接到BAT引脚的储能器。 MPPT控制环路调节MPPT引脚上采样电平的VIN电压，并通过CBP和AGND引脚存储在电容上。

为了在宽输入功率范围内保持稳压器的高效率，电流检测电路采用内部抖动峰值电流限制来控制电感电流。如果BAT引脚电压低于SETSD引脚设定的电池端子充电阈值，则主升压调节器操作通过储能控制器达到异步模式，或者如果BAT引脚电压高于电池过充电阈值，则停止开关。 TERM引脚。当CBP引脚上的电压降低到MINOP引脚上的电阻设置的阈值时，升压调节器将禁用。此外，通过开路电压采样电路周期性地停止升压，也可以通过将DIS_SW引脚驱动为高电平来暂时禁止升压。

图2： ADP5091引脚上的电容和电感值对于能量采集中的正确操作至关重要。

为了保护存储元件免于过充电或过放电，存储元件必须连接到BAT引脚和系统负载连接到图2中的SYS引脚。该器件支持可充电电池，超级电容器和传统电容器，并且需要具有100μF等效电容的存储元件来过滤PFM开关转换器的脉冲电流。当输入源不再发电时，存储元件容量必须提供整个系统负载。

如果存在高脉冲电流或存储元件具有显着阻抗，则可能需要将SYS电容从最小4.7μF增加，或者为BAT引脚添加额外电容以防止下垂SYS电压。但是，增加SYS电容会使升压调节器在启动时在较低效率的冷启动阶段工作较长时间。如果应用程序无法接受较长的冷启动时间，则可以将附加电容器与存储元件平行放置。

升压调节器还需要一个合适的电感才能正常工作。电感饱和电流必须至少比预期的峰值电感电流高30％，以及低串联电阻（DCR）以保持高效率。升压调节器旨在优化效率并控制开关，额定电感为22μH±20％。

对于泄漏电流敏感的能量收集应用，需要低泄漏电容作为任何泄漏来自电容器会降低效率，增加静态电流，降低MPPT跟踪算法的有效性，从而控制源阻抗。

连接到VIN引脚的电容（CIN）和PGND引脚存储来自输入源。建议最小值为10μF，但对于主电池，较大的电容有助于降低输入电压纹波并保持源电流稳定以延长电池寿命。

ADP5091在SYS引脚和PGND引脚之间使用两个电容。至少4.7μF的低ESR陶瓷电容与高频0.1μF旁路电容并联，该电容应尽可能靠近SYS和PGND。

为了使无线传感器尽可能小，该设备使用小型陶瓷电容器，但只要注意有效串联电阻（ESR）值，就可以使用其他电容器。输出电容的ESR会影响LDO控制环路的稳定性，建议最小电容为4.7μF，ESR为1Ω或更低，以提供稳定的输出。

负载电流变化的瞬态响应也受输出电容的影响。使用较大的输出电容值可以改善稳压输出对负载电流大幅变化的瞬态响应。

存储在CBP电容上的电压由VIN引脚调节，对泄漏很敏感，因为保持时间约为16秒。当电容器电压因泄漏而下降时，VIN调节电压也会下降并影响MPPT的有效性。

评估板

图3中的ADP5091-2-EVALZ演示板将电源管理器件与PV面板相结合，将室内光转换为200至1000 lux至0.8 V电能。 ADP5091将输入电压从0.8 V升压至3.5 V，并将能量存储在超级电容器中。

图3：评估板结合光伏太阳能具有ADP5091电源管理单元的单元并连接到无线传感器网络演示器。

这可直接插入ADI公司的无线传感器网络演示器，以连接到低功耗微控制器和sub-GHz远程，低功耗收发器。

结论

电容器和电感器的选择对于无线传感器网络的能量收集电源管理单元的高效运行至关重要。使用小型陶瓷电容器可以实现更小的传感器节点，可以轻松放置在室内和室外以收集太阳能。这通过无线链接提供数据，作为整个智能城市物联网的一部分。