能量收集源中的电源管理解决方案

为从环境中收集能量的源设计电源管理系统可能具有挑战性。这些来源，从太阳能电池到振动能，甚至来自热差的功率，都是不可预测变化的少量功率。这给必须高效运行并提供稳定输出的电源管理系统带来了巨大挑战。被供电的节点中的传感器和处理器的电压和功率要求已经下降，因此使用能量收集源变得更加实用;但是仍有不同的方法来管理这些电力子系统。

显然有必要优化系统中低平均功率的设计，但也有必要了解下限和上限。能量收集源。降压/升压转换器将具有下限，低于该下限功率级可以关闭或不启动，从而中断系统的操作。这也意味着上电排序必须了解何时为每个器件和其他器件供电的影响，以便功率消耗不会将功率转换阶段推到该下限以下。

但是，还必须注意潜在的峰值功率，以避免压倒额外的储能元件，如电容器或电池。

使用硬件定时器和中断而不是软件可以降低总体电源要求，并且在系统中实现状态指示和警报是必不可少的，以便可以使用正确的信息进行电源管理选择。

隔离系统中的所有负载并使其可切换，为电源管理器提供了更多机会来避免问题并优化性能。这也有助于隔离任何消耗过多功率的设备。

降压/升压转换器是一种适合通过压电传感器从运动或振动中获取能量的架构。输入端的保护分流器允许电源管理器容纳各种不同的压电元件，这些元件的短路电流约为10μA。

压电源的典型电源管理器的一个例子是凌力尔特公司的LTC3588。它设计用于直接连接压电或替代电源，整流电压波形并将收集的能量存储在外部电容上，并通过内部并联稳压器排出任何多余的电能。

集成了低损耗全波桥式整流器和高效率降压转换器，针对高输出阻抗压电源进行了优化，并通过高效同步降压稳压器保持稳定的输出电压。

超低静态具有宽滞后窗口的电流欠压锁定（UVLO）模式允许电荷累积在输入电容上，直到降压转换器可以有效地将一部分存储的电荷转移到输出，并且降压转换器根据需要打开和关闭以维持调节。

知道下限的重要性的一个例子是降压转换器，当输入电压超过UVLO上升阈值以转移充电时启动e从输入电容到输出电容。 1 V UVLO迟滞窗口的阈值低于所选稳压输出电压约300 mV，这可防止降压上电期间的短暂循环。

当输入电容电压耗尽低于UVLO下降阈值时，降压转换器被禁用，450 nA的极低静态电流允许能量从压电源积聚在输入电容上。迟滞由算法确定，该算法通过来自电压感测引脚的内部反馈来控制输出。

图1：静态电流欠压锁定（UVLO）使用滞后算法来保护压电能量收集系统中的功率输出。

LTC3588的四个输出电压显示了能量采集源预期供电的较低电压，从1.8 V，2.5 V和3.3 V到3.6 V，这些引脚可通过高达100 mA的连续输出进行选择当前。设置为20 V的输入保护分流器可在给定量的输入电容下实现更大的能量存储。

低损耗桥式整流器的总压降约为400 mV，典型的压电发电电流约为10μA，电桥能够承载高达50 mA的电流。所有这些都允许电容器中的电荷消除电源的间歇性质，并为传感器或控制器提供所需的电压。

电池通常用于从能源中收集电荷，但这些也需要保护免受过度充电或充电不足。 Maxim Integrated的MAX17710可以管理调节不良的能量收集源，输出电平范围为1μW至100 mW。对于0.8 V收获源和4.1 V电池，只要收获源可以支持，该设备可以提供超过20 mA（80 mW）的电压。

为此，该设备包括一个增压器用于从低至0.75 V的电源为锂电池充电的稳压器电路，同时用于保护电池免于过充电和内部电压保护的内部稳压器可防止电池过度放电。使用低压差（LDO）线性稳压器调节1.8 V至2.3 V至3.3 V的可选输出电压。

图2： MAX17710集成了一个低压差稳压器，可以保护电容器或锂电池免受充电不足。

太阳能

越来越受欢迎的能量收集来源是太阳能电池，有几种管理来自这些细胞的力量的不同方法。这些不同的方法可通过数字图书馆免费获得，并可在一系列评估板上进行测试。

太阳能电池的数字电源软件库提供代码优化的构建模块，可实现各种电源拓扑和算法，如最大功率点跟踪（MPPT）和软件锁相环（PLL），以帮助设计优化太阳能逆变器到动力设备。

有三种基本的MPPT算法可以在微控制器中轻松测试。最流行的是扰动和观察（P＆amp; O）算法，也称为“爬山法”，其中控制器移动或扰乱来自阵列的电压少量并测量功率。如果功率增加，则电压在相同方向上稍微改变，直到达到最大功率点。然而，这可能导致一点周围的功率输出振荡。

图3a：基本的P＆amp; O算法（来源：MATHWORKS）

第二个选项，增量电导，比较对瞬时电导的增量电导。根据结果，它会增加或减少电压，直到达到最大功率点（MPP）。与P＆amp; O算法不同，一旦达到MPP，电压保持不变。

图3b：增量电导算法。 （来源：MATHWORKS）

第三种MPPT方法是分数开路电压：该算法基于最大功率点电压始终是开路电压的恒定分数的原理。测量太阳能电池中电池的开路电压，并将其用作控制器的输入。

图4：太阳能微型逆变器的开发德州仪器（TI）的套件允许评估MPPT算法的数字库。

这些电源管理算法可以在德州仪器的Solar Micro Inverter开发套件上进行测试，该开发套件基于Piccolo TMS320F28035微控制器，可用作完整的并网太阳能微逆变器。微逆变器的拓扑结构包括带有次级倍压器的有源钳位反激式DC/DC转换器，最大功率点跟踪（MPPT）和并网DC/AC逆变器。单个Piccolo控制器处理功率级和MPPT算法的执行。

其他评估板，如MAX17710，允许测试不同的拓扑和算法，改变储能元件和控制算法。

图5：MAX17710评估板允许开发人员使用太阳能电池等能源为受保护的锂电池充电。

结论

在能量收集源的超低功率水平下运行给电力系统开发人员带来了许多挑战。密切关注能源的下限和上限，使系统设计变得更加容易。开发人员还可以评估不同的控制算法并进行调整，以便为所选能源提供最有效的功率转换，无论是太阳能电池阵列，压电振动传感器还是热能源。通过选择评估板，可以轻松测试这些产品，以及正确选择电池或电容器。