在能量收集设计中添加电源备份功能

环境能源可以提供几乎连续的功率来运行超低功耗电路。然而，当环境源波动很大并且可能损害足够的稳态功率时，备用电源可以使这些应用保持运行，甚至可以提供峰值功率突发所需的能量。使用可用的能量存储设备和电源管理IC，工程师可以构建能量收集电路，即使环境功率暂时存在间隙或功耗间歇性峰值，也能够更可靠地保持功能。

超低功耗IC使电路设计人员能够在各种应用中利用能量收集技术。在最简单的设计中，能量传感器将环境能量转换为足以为超低功耗ADC，DAC和MCU供电的水平。在无线传感器等应用中，无线电操作会引入间歇性峰值功率需求（图1）。即使持续时间最短的无线电突发，峰值功率要求也很容易超过低能量环境源的瞬时功率水平（表1）。

图1：即使是功率最高的IC，无线通信也会在接收和发送操作期间增加大量功率需求（德州仪器提供）。

表1：主要环境源的典型采集功率（由Imec提供）。

除了无线应用中的电源突发外，当光源被阻挡，振动模式安静或其他环境源暂时暂停时，环境供电设计可能会面临停电期。在这些情况下，完全断电需要序列重启操作，以确保在能量收集子系统通电后应用电路以正确的功率水平启动。实际上，当从缺乏所需环境源的长期存储区域移除能量收集模块时，任何能量收集设计都可能面临这种情况。对于诸如无线传感器之类的应用，期望可靠地提供接近连续的监测参数数据流，由于间歇性功率损耗而反复重新初始化设计的需要是不可接受的。

为了确保在峰值需求期间运行甚至间歇性地损失环境源，能量采集设计通常基于包括能量存储和相关电源管理控制器的电力系统（图2）。除了为每个系统组件提供专用设备外，集成设备还可根据能量收集为许多应用提供完整的解决方案。

图2：对于由环境能量供电的典型无线传感器设计，能量存储和功率控制器是必要的补充，以支持无线子系统的峰值功率需求（图片由瑞萨）。

薄膜锂离子储能装置通常选用超级电容器，以满足长期存储需求;反过来，超级电容器非常适用于以高电流负载短脉冲为特征的应用。诸如Cymbet EnerChip™固态电池之类的薄膜存储设备具有较低的自放电率，并在较大的放电周期内保持稳定的输出电压。

为了实现存储设备的充电电路，设计人员可以使用保护设备，如凌力尔特公司的LTC4071，它提供充电和电池保护功能。 LTC4071专为能量收集等极低功耗应用而设计，可以从极低电流，间歇或连续充电电源为锂离子电池充电。 LTC4071具有近零电流，低电池闭锁断开功能，可在电池电压过低时将电路与电路断开，从而保护电池免受过放电和潜在的无法修复的损坏。

Cymbet还在其EnerChip CC CBC3105中提供集成的充电和保护功能，该功能将电源管理电路与固态电池相结合（图3）。在正常操作期间，EnerChip CC使用内部电荷泵为受控电压充电。当主电源电压低于用户设定的阈值电压时，器件将片上存储器件输出路由至VOUT。

图3：Cymbet EnerChip CC将片上能量存储与集成电源管理功能相结合，能够支持多个固态电池（由Cymbet提供）。

为了向应用电路提供稳压电源，工程师可以使用超低功耗低压差（LDO）稳压器（如ADI公司的ADP162）和欠压检测器等实现简单的控制器（再次参见图1）作为安森美半导体的NCP302控制器，它提供欠压锁定和过压保护。通过将NCP302的输出连接到ADP162的关断引脚，工程师可以确保仅在电源电压达到适当电平时才为负载供电。

凌力尔特公司的LTC3588-1为能量收集提供单芯片解决方案，LTC3588-1集成了用于从传感器获取能量的电路和电源管理电路，为负载提供稳压输出。使用Linear LTC4071进行电池保护，这些器件的组合简化了带有备用电源的能量收集应用的设计（图4）。

图4：凌力尔特公司LTC3588-1与Linear LTC4071电池保护器件配合使用，可提供完整的电池备份能量收集解决方案。这里，这些装置被配置为使用压电换能器来获取振动能量（Courtesy of Linear Technology）。

德州仪器（TI）BQ25504等设备进一步简化了能量采集设计中的备用电源的实施。 BQ25504专为能量采集应用而设计，结合了片上电池充电器和升压转换器，能够从低压电源中提取电能。该器件需要330 mV才能启动升压转换器，但一旦启动，它就可以从低至80 mV的输入电压中获取能量。

同样，Maxim Integrated MAX17710为低压能量收集和电池管理提供集成解决方案。能够从低至75 mV的电源获取能量，只要输入电压超过存储设备电压，该设备就可以直接从环境源为存储设备充电。当存储电压上升到规定阈值以上时，输入线性稳压器开启以保护存储设备免于过充电。当存储设备放电至阈值电压时，器件的欠压锁定（UVLO）功能会禁用输出电压调节器，断开负载以保护存储设备免于过放电（图5）。

图5：Maxim Integrated Products的MAX17710等集成能量采集器件提供电池保护功能，可断开负载以保护存储设备免受过放电的影响（图片由Maxim Integrated Products）。

结论

电源备份有助于确保从环境源供电的电路的长期功能，这些电路的能量输出可能差异很大。对于诸如无线传感器之类的设计，其间歇性峰值功率要求超过这些源的稳态功率输出，备用电源对于正常操作至关重要。通过结合使用固态存储设备和电池保护组件，设计人员可以轻松地为超低功耗能量采集设计添加电源备份功能。