利用能量收集技术降低电池负荷，从而延长电池寿命

无论是否有任何功能增强，消费者对移动电子产品的需求都具有更长电池寿命的默许期望。能量收集技术可以帮助工程师大大延长原电池的使用寿命。对于设计人员而言，随着ADI公司，Cymbet公司，凌力尔特公司和德州仪器公司等专用IC的推出，构建电池扩展器电路的任务变得非常容易。

能量收集提供了一种严格为许多应用提供电力的方法来自环境能源，包括太阳能，温差，振动或射频能量。对于这些“零功耗”设计，可用的环境能量超出了设计功耗要求 - 通常是因为应用程序带来了使用超低功耗组件轻松满足的最低功能要求。但是，对于其他应用，更复杂的应用要求可以将发电/消耗比从零功率解决方案中提取出来，而不是需要一个或多个原电池。即使在这些情况下，设计人员仍然会发现自己面临着功率要求和总电池容量之间不断增长的差距。当差距过大时，消费者对产品不满意，认为太频繁需要更换电池或充电。

虽然设计人员可以采用多种节电技术，但延长电池的基本方法生命在于降低其平均输出电流。更高电流负载意味着更短的电池寿命，即使从几年到几个月，电流负载从1μA上升到10μA，典型的非可充电原电池，如松下BR1225，BR1632，BR2330和BR3032锂电池 - 电池（图1）。通过提供备用电源，能量采集技术可以使设计人员降低主电池的平均电流输出，从而延长其使用寿命。

图1：一个小的变化平均电流负载可导致非可充电一次电池的寿命发生较大变化（由Maxim Integrated提供）。

大多数能量采集设计的基础，复杂的电源管理IC管理环境能源的能量输出传感器，处理能量存储设备（如薄膜电池或超级电容器）的充电，并向负载提供所需的电源电压。在某些情况下，设计人员可以使用电源管理器件和模拟开关组合构建简单的电池扩展器电路。

在简单的电池扩展器电路（图2）中，ADI公司的ADG719模拟开关将用于切换为主电池和存储设备（如Cymbet CBC3150）之间的负载供电。该电路的核心是电源监控IC（例如ADI公司的ADM6316），用于检测CBC3150存储设备的良好电压输出。在这种情况下，电源管理器IC将激活ADG719模拟开关并启用低压差（LDO）稳压器，例如Texas Instruments TPS780330220DDCR，以向负载提供稳压输出电压。

图2：模拟开关和电源管理IC通过尽可能将输出负载切换到存储设备，为简单的电池扩展器提供了基础（由Cymbet提供）。一键该设计中的元件是Cymbet CBC3150，它在单个器件中集成了薄膜存储器件和电源管理电路。在正常工作期间，EnerChip IC使用其片上电荷泵为其内部薄膜存储充电，其工作电压为2.5 V至5.5 V.当器件的电源电压低于用户定义的阈值电压时，IC将发出此信号事件并将薄膜存储设备的电压路由到VOUT。

电池扩展器IC

某些能量收集设备专门用于支持电池寿命延长。例如，凌力尔特公司的LTC3107可以无缝地安装到从主电池供电的现有应用中（图3）。 LTC3107使用从热电发电机（TEG）收集的能量来减少主电池的负载，从而延长其使用寿命。

图3：凌力尔特公司LTC3107旨在延长电池寿命，该电路采用CR2032纽扣电池等原电池供电（图书采用Linear Technology公司提供）。升压转换器，LTC3107可以从TEG获取能量，提供低至20 mV的电压。除了为外部MCU供电的2.2 V LDO输出外，该器件还提供主输出电压，可自动调整以匹配主电池的电压。无论何时获得能量，LTC3107都可以无缝地从电池电源转换为收集电源，从而延长电池的使用寿命。该器件还可用于对标准电容器或超级电容器进行涓流充电，以存储多余的收集能量，从而进一步延长电池寿命。

使用原电池时，器件在VBAT上仅吸收80 nA电流，此外还有最小的漏电流。 VBAT去耦电容。如果取下电池，VBAT去耦电容将继续保持VBAT电压，VBAT电压会因泄漏而缓慢衰减。例如，使用标称值为20μF且VBAT上漏电流为0.1μA的去耦电容，VOUT将以大约每秒5 mV的速率衰减 - 衰减率通常可以在电池更换期间继续运行。

电源优先级《 br》凌力尔特公司的LTC3330提供更加复杂的功能，可延长主电池的使用寿命。该器件包括一个片上降压 - 升压型DC/DC转换器，用于为外部初级电池单元的负载供电。此外，该器件还包括一个完整的能量收集电源 - 包括一个集成的全波桥式整流器和一个高压降压转换器，用于为各种形式的环境能量供电，包括压电，太阳能或磁源。

在工作期间，器件可以将DC/DC转换器的输出引导至其单输出（图4）。当收获能量可用时，收割机的降压转换器提供电力，将电池上的静态电流消耗减少到基本为零，从而延长电池的使用寿命。当收集的能量不足时，电池通过其专用的降压 - 升压转换器为VOUT供电。

在此设备的核心，输入优先级确定是使用能量收集输入还是电池输入为VOUT供电。如果电池为降压 - 升压转换器供电并且收集的能量超过阈值电压，优先级将关闭电池转换器并打开能量收集转换器以提供保持VOUT调节的平滑过渡。当可收集的能量低于阈值水平时，如果电池电压高于1.8 V，优先级将切换回电池，同时保持稳定。如果电池电压低于1.8 V，LTC3330优先级将不会重新启用电池降压 - 升压转换器并且VOUT将崩溃，直到有足够的可收集能量（或更换电池）。

图4：凌力尔特公司LTC3330使用片上优先级电路切换初级输出当有足够的收获电力时，电池可以用于能量收集源（由Linear Technology提供）。

结论

即使需求加速增加功能更丰富的产品，对更长电池寿命的期望仍然有增无减。对于面临不断增长的功率预算的设计人员而言，利用能量收集技术来延长电池寿命的能力提供了一种减少功率要求和电池寿命之间差距的重要方法。使用可用的电源管理IC和专用设备，工程师可以采用能量收集来减少原电池的负载，从而延长其使用寿命。