单芯片能量收集设备的电池充电控制器解决方案

您的能量收集应用是否使用具有高电压和电流的大型太阳能电池板，或者更常见的情况是，必须使用来自各种其他环境能源的微量电力，有一点几乎可以肯定：某种类型的能源存储在船上，无论是小型可充电锂离子电池，超级电容器还是固态储能技术。

对于工程师而言，这意味着我们不仅需要设计电路来收集和转换环境能量，而且我们还必须包括能量收集接口（和保护电路）以及充电控制器。

本文着眼于单芯片能量收集设备，它也提供某种形式的电荷控制。它讨论了提取能量的不同条件，以及试图将功率从周围环境中挤出时的预期。最后，本文将介绍一些典型的小型低功耗能量采集设计的集成解决方案。

睡眠和启动

低功耗内存和微型计算机可以长时间闲置和睡眠，仅绘制毫微安培。在睡眠周期期间，所采用的能量收集技术应提供比睡眠电路所需的更多功率。当累积足够的多余能量来做一些有用的事情时，例如给电容器或电池充电，微型电脑就会被唤醒。

在某些情况下，手头任务所需的能量很容易确定。例如，图1显示了一个采样应用，其中无线低功耗传感器每隔一段时间唤醒，读取一次，发送它，然后再回到睡眠状态。它可以编程为从环境中缓慢吸取微安，以维持电容器或电池的充电。

图1：对于数据记录等定时间隔采样应用，可以通过降低采样率来设置能耗。如果需要事件检测并且采样率太高，则可能会消耗太多能量。在这里，基于事件或阈值的唤醒是理想的，对收获工作的需求减少。

事件驱动的设计比较棘手。如果需要快速响应事件，则需要更频繁地唤醒微观以确保必要的响应时间。它醒来的次数越多，燃烧的能量越多，对收获系统和蓄电池的需求就越大。

在这种情况下，为了节省能量，而不是上述的轮询技术，中断技术允许更长的睡眠时间，从而节省更多能量。今天许多微型计算机具有阈值和事件检测功能，让微型保持睡眠状态直到事件发生。通过巧妙的设计，可以减少对收割机的需求。

总的来说，能量采集器不仅需要收集能量，他们还需要调节能量并将其计量到电池和手边的电路中。一个有效的设计来自Maxim及其MAX17710能量收集管理器IC（图2）。

图2：MAX17710有两个输入，针对低阻抗和高阻抗能源进行了优化，如太阳能，压电，射频或热电。此外，可调节和未调节的输出可用于实时能量需求。

注意图2中的两个输入;一个用于高压源，如基于压电或感应RF的耦合输入，另一个用于低压，高电流源，如太阳能电池。 IC内部还有锂电池和充电器过压分流电路的欠压保护。在任何一种情况下，电池保护都可确保它不会过充电并缩短其使用寿命。

该器件内置升压稳压器，具有升压启动电路，可将电压降至0.75 V（图3）。这允许从例如遮蔽或暴露于逐渐减小的光水平的太阳能电池板延长能量收集。内部低压差稳压器具有3.3，2.3或1.8 V的可选稳压输出电压。还提供了非稳压输出。有关更多信息，请参阅Infinite Power Solutions提供的太阳能薄膜电池充电器参考设计。

图3：0.75 V输入的升压启动在连续步骤中发生的时间少于8μs。

参考设计IC专为THINERGY®MEC系列电池而设计，同样来自Infinite Power Solutions。这些可充电锂电池4.1 V电池额定值为130μAh至2.2 mAh，高度仅为0.2 mm。当采用这种类型的单一来源合作伙伴关系时，您可以期待紧密耦合且精心设计的解决方案。 Infinite Power Solutions的两个应用开发套件和一个感应湿度，光照水平和温度的无线环境传感器板提供进一步的设计帮助。

另一个值得注意的部分来自Benchmarq;德州仪器公司的一个部门。 BQ25504是一种能量采集接口芯片，可以从低输入源（本例中为80 mV）持续获取能量。它不是与一种特定的电池类型挂钩，而是让您使用外部电阻对欠压和过压电平进行编程，以便更容易地适应各种类型的电池（图4）。滞后电平也可以编程，允许您定制BQ25504的输出，以充电和控制各种电池或超级电容。

图4：外部偏置电阻设置滞后和上下限电荷，因此bq25504单芯片采集电荷控制器可与各种电池和超级电容一起使用。

这部分的一些不错的功能是一个电池良好的输出引脚和一个信号，让嵌入式微型知道即将出现功率损耗。此部件还可用作启用或禁用系统负载的开关。 Benchmarq/TI提供用于测试和评估器件的评估板。它还提供能量收集产品培训模块的电源管理以及低功率升压充电器的参考设计。

升级

一些通用开关电源设备具有足够的灵活性，可直接针对能量收集应用。一个典型的例子是凌力尔特公司的LTC3105 DC/DC转换器芯片，带有计量输出。作为Linear的能量收集电源产品的特色成员，它可以有效地从低至225 mV的电压升压，并从其内部LDO提供6 mA输出，专门用于低功耗嵌入式微处理器。

凌力尔特部件的一些优点是宽输入电压范围（0.225至5 V）和宽输出充电电压可调范围（1.5至5.25 V）。它还具有电源良好输出信号和1.4至5 V的可调节LDO输出。此外，它还具有关断引脚，可用作电源开关和温度补偿传感器。

Key是它能够设置功率点设置（使用外部电阻分压器）。太阳能电池和热电元件等能源设备具有最大功率输送的最佳点。自动调节峰值电流限制，以将操作维持在最佳电压水平并提取最多能量。

LT3015的文档中介绍了几种参考设计，包括单节光伏NiMH涓流充电器（图5）。

图5：各种参考设计和应用笔记均支持凌力尔特能量采集器部件，如此处所示的热电发电机和单光电池NiMH充电器。

同一屋檐下的电池和充电控制器

Cymbet的一项有趣技术是其固态电池系列以及一系列能量收集和电荷控制芯片来支持它们。例如，CBC915能量处理器芯片能够使用任何类型的能量收集格式来实现高效能量转换和调节。 CBC915还提供内置温度补偿充电控制。

Cymbet提供有用的产品培训模块教程，介绍其固态电池和充电控制器以及能源管理和能量收集演示和评估套件，因此您可以低成本，低风险快速轻松地评估该技术。 TechZone文章“仔细研究能量收集：Cymbet能量收集开发套件”提供了对Cymbet开发套件的评论。

总之，能量收集有望使一类新的超低功耗和自供电设备成为现实。随着能量存储设备继续提供更快的充电，更高的容量和更长的生命周期，可以期望更多的供应商提供电源管理IC以创建无缝的能量收集解决方案。