可穿戴电子设备的能量收集应用介绍

能量收集主要被视为一种供电方式，用于向那些无法接入电源或除电池以外亦需要补充电源的电子设备供电。 在许多情况下，使用能量收集的应用往往没有足够的空间来容纳大体积的电池。 典型例子包括可穿戴技术，如健身小工具和健康监测设备，以及诸如环境或结构状况监测应用中的无线传感器节点。

通常情况下，从诸如太阳能、振动或温差等环境能量源收集的能量，需要经过转换、升压和暂存后才能得到有效利用。 现如今，多家公司针对能量收集应用推出的电源转换和电源管理集成电路日益增多。 但面临的压力使，要确保这些设备高度集成，以便于多功能操作，且尺寸要尽可能小。 毫无疑问，设备本身的功耗也要非常低。

本文将概述快速增长的可穿戴电子设备市场及其相关应用的微型化需求， 并讨论最近推出的、带集成降压转换器的 bq25570 升压充电器，以及一系列类似的替代和互补部件。 本文将参考 TI 的用户指南，阐述如何最有效地将该设备用于超低功耗、空间/重量受限的能量收集应用。

更多功能

如今，可辅助跟踪记录健身计划、监测健康状况并提供医疗服务的可穿戴设备日益增多。 正如多数便携式设备一样，随着消费者预期的增长，此趋势会促进设备功能的增多。 如果在心率监测器中集成 GPS 装置，跟踪记录圈数或跑步路线，心率监测器必将更受青睐。 目前，现代可穿戴式健康监测设备除可监测心电图反应外，还可监测血压、体温、血氧含量、心率和活动量。

图 1：能量收集将会是许多可穿戴电子设备应用中的关键技术。

左：Sensoria 的智能袜，配备压力传感器，可通过蓝牙与脚环进行通信，以帮助识别和改善跑步姿势（脚跟着地/脚掌着地）。 其他传感器则可追踪记录步数、速度、消耗卡路里、高度和距离。

右：Fraunhofer Institute 研发的面向老年人群体的可穿戴式辅助设备，可提供服药提醒、健康状况监测和紧急援助呼叫等一系列可编程服务。

无线连接可便于设备传输和存储收集到的数据，以供稍后分析。 无线传感器网络作为物联网的一部分，在智能建筑和环境监控等应用中必不可少，在这些应用中来自许多个传感器的数据都要经过编译。 正因为此，在智能手表、生物特征监测器、ID 标签产品、传感器节点和其他可穿戴式或远程应用中，集成的传感器、射频电路和更精密的微控制器日益增多。

不过，此类多功能设备要想受到青睐，除需提供合理的电池续航时间外，还需要重量轻、体积小和穿戴舒适。 设计师们纷纷采用能量收集技术来有效利用体热或脚步振动等环境能量，以为电池持续充电。 在某些设备（如植入设备）中，收集到的能量是唯一的能量来源。

因此，能量收集可被看作为一项可节省空间的实用技术，既可以替代电池，又可实现体积更小的可充电电池的应用。 对于任何由电池或收集的能量供电的设备而言，电源管理都非常重要。 通过功耗很低，且通常不规则的电源，来确保实现最佳性能和高效率运行，需要一定的准确度和精密度。 多家 IC 制造商纷纷瞄准这一市场，其中包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

相对于旧一代的电源而言，新一代电源的集成度更高，体积更小，功耗也更低。 理论上，设备会先获取收集的能量，然后进行转换和/或升压，最后将其直接供给系统或可再充电的储能设备。 某些设计会专用于一种类型的能量存储设备，如超级电容器或锂离子钮扣电池。 也有另一些可支持多种能量存储设备的设计。 同理，某些设计可能专用于一种形式的能量收集，也有另一些可支持多种形式能量收集的设计。

要注意的一个重点是不同应用所需要的启动电压。 有些应用的启动电压低至 20 mV，不过功能可能受限，需要额外的互补部件才能提供充分的电源管理。 集成度更高的部件可能总体尺寸更小，整体静态电流更低，不过可能需要更高的启动电压，才能使其更加依靠最低水平的储存能量来工作。 有些设备针对性很强，专用于超低功耗的传感器节点。 其他设备将支持更高的输入电压水平，从而满足基于微控制器设备的要求，不过对于能量收集应用而言，这些微型设备本身的功耗非常低。

重要的是，电源管理 IC 需要足够灵活，能够处理断续供电情况和收集的能量（往往不稳定，且往往收集的量极低）。 系统设计中必须考虑到这一点，即拥有足够的能量储存容量，能够在需要时提供恒定电力。 这很大程度上取决于传感器的读取频率，以及数据的传输量和传输频率。

集成度高

Texas Instruments 提供多种用于能量收集应用的超低功耗微型设备，包括电源管理 IC、无线连接和微控制器。 该公司最新推出的 bq25570 是高集成度的能量收集毫微功耗管理解决方案。 它符合采用能量收集技术的空间受限和功率受限应用的所有标准。

该设备体积小巧，采用 20 根引线的 3.5 x 3.5 mm QFN 封装，超低功耗静态电流为 488 nA（典型值），运送模式下为 《5 nA。 此外，还配有 bq25570EVM 评估模块。 有关详细的产品和应用信息，可参阅设备规格书¹ 和评估板用户指南²。

该设备仍需要外部电容器和电阻器，但由于高度集成，故可最大限度减少对额外设备的需求。 该设备非常适用于针对具有苛刻功率和运行要求的无线传感器网络，实施高能效脉冲频率调制 （PFM） 升压充电器和毫微功耗降压转换器解决方案。 请参见下面的图 2：

图 2：TI 推出的 bq25570 能量收集电源管理 IC（带升压充电器和毫微功耗降压转换器）的功能示意图。

该设备可与多种高阻抗能量收集源配合使用，包括光伏（太阳能）、热电发电机 （TEG） 以及 AC/DC 整流器和压电发电机。 从冷启动状态起，该设备的 DC/DC 升压转换器/充电器所需电压最小值为 330 mV。 其假设依据为：输入电源提供至少 5 µW（典型值），且升压转换器输出的负载为低于1 µA 的漏电电流（含存储元件漏电电流）。 不过，运行后升压转换器输出电压达到 1.8 V，此时设备所需的 100 mV 电压可以从能量收集源获取。

降压转换器先从升压转换器输出获得输入功率，再进行降压处理，最终为输出引脚提供调节电压。 降压转换器采用 PFM 控制来调节电压，使之接近由用户可编程的电阻分压器设置的值。 通过电感器的电流由内部电流检测电路控制。 从运送模式启动的时间约为 100 ms， 从待机模式启动的速度要更快，不过这取决于输出电容器的尺寸。

bq25570 可与多种类型的存储设备配合使用，包括电容器、超级电容器、锂离子电池和其他化学电池。 当系统处于低功耗或休眠模式时，收集器将提供足够电能来给存储元件充电。 当能量收集器不在工作时，电池或电容器必须要有给整个系统负载供电的足够电能。 需要等效电容 100 µF 的存储元件，来过滤掉 PFM 开关式充电器的脉冲电流。

根据 TI 的用户指南所述，电池与超级电容器之间的主要区别在于，电池中很少有，甚至没有低于某一电压的容量，而超级电容器中则有。 系统设计师需要注意的是，两者都存在明显的漏电电流，相当于升压转换器输出上有个 DC 负载。

最大功率点跟踪 （MPPT） 是指从光伏电池（70 至 80%）和 TEG （50%） 获取尽可能最多的电能并进行管理。 电池供电设备高能效管理必不可少的其他功能包括：电池过压和欠压保护、可充电锂离子电池的自动热关断。 对电池状态的准确监控是另一个重要功能，如果系统可能进入欠压状态，则还需要触发负载电流下降功能。

替代设备和补充设备

TI 推出的 bq25504 和 bq25505 功能相似，但静态电流均低于 325 nA。 这两种设备配备的自主电源多路复用器栅极驱动器，一旦启动，可让系统从能量收集源和一次电池获取能量运作，确保在需要时提供恒定功率，即使在收集器无可用能量时也能正常运作。 当系统中包含有无法完全关闭的设备时，超低的静态电流就显得十分重要，这样可以延长电池的续航时间。

如果尺寸和重量成问题，那么 TI 推荐 bq25100，这是一款体积更小、功率更低的线性电池充电器，特别适用于单节锂离子钮扣电池。 该装置采用 0.9 x 1.6 mm WCSP 封装，支持高达 30 V 的输入电压，允许对快速充电电流准确控制在 10 mA 至 250 mA 范围内。

互补设备 TPS82740A 和 TPS8274B 降压转换器模块支持 200 mA 的输出电流，转换效率高达 95%，运行时消耗的静态电流仅为 360 nA，待机模式时为 70 nA。 6.7 mm² 的封装容纳了开关稳压器、电感器和 I/O 电容器。 通过集成所有必需的无源器件，该设备的体积要比同类分立解决方案小 75%。 TPS82740A 面向的是超低压应用，TPS8274B 则拥有“DCS 控制”功能，适用于集成了低功耗微控制器的系统进行电源管理，例如 TI 的 MSP430 系列。

结论

为利用能量收集技术的便携式应用选择合适的电源管理 IC，需要仔细考虑系统的电源需求、能量生成潜力和能量存储容量。 在功率范围的较低端（如无线传感器节点），或者如果 TEG 产生的能量非常少，设备的选择更加有限。 如果小尺寸和轻重量是最优先考虑的事项，那么选择集成度更高的设备，例如本文中重点提到的几种，或许可以提供最佳解决方案。