基于bq25505器件的數(shù)字電源管理能量收集方案

　　數(shù)字電源管理是任何能量收集系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)字控制允許單個(gè)設(shè)備處理具有非常不同要求的各種能源，從光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 到壓電和高阻抗熱源。

　　bq25505器件旨在提取各種能量收集源產(chǎn)生的微功率。數(shù)字管理確保二次可充電電池不會(huì)被提取的電力過(guò)度充電，電壓升高，也不會(huì)因系統(tǒng)負(fù)載而耗盡超過(guò)安全限制。

　　如果二次電池電壓低于用戶定義的閾值，集成多路復(fù)用器柵極驅(qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)將系統(tǒng)負(fù)載切換到一次不可充電電池，從而允許設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同應(yīng)用優(yōu)化系統(tǒng)。

　　圖 1：德州儀器（TI ） 的 bq25505顯示了數(shù)字電源管理的引腳。

　　該設(shè)計(jì)從一個(gè) DC-DC 升壓充電器開(kāi)始，該充電器僅需幾微瓦的功率即可開(kāi)始工作。主升壓充電器由升壓輸出 VSTOR 供電，如圖 1 所示。一旦 VSTOR 電壓高于 VSTOR_CHGEN 發(fā)生器值（通常為 1.8V），升壓充電器就可以有效地從 TEG 或單電池或雙電池太陽(yáng)能電池板，可產(chǎn)生低至 100 mV 的電壓。當(dāng)升壓輸出小于 100 mV 時(shí)，冷啟動(dòng)電路需要至少 330 mV 才能將 VSTOR 充電至 1.8 V。

　　MPPT管理

　　bq25505 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可編程 MPPT 采樣網(wǎng)絡(luò)，以優(yōu)化從太陽(yáng)能電池到器件的功率傳輸。隨著落在電池上的光發(fā)生變化，輸出在復(fù)雜的非線性系統(tǒng)中也會(huì)發(fā)生變化。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的 MPPT 算法以線性方式跟蹤此輸出電壓，以便優(yōu)化轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)的能量。例如，對(duì)于在最大功率點(diǎn) （MPP） 為其開(kāi)路電壓的 80% 下運(yùn)行的太陽(yáng)能電池，電阻分壓器可設(shè)置為 VIN_DC 電壓的 80%，并且網(wǎng)絡(luò)將控制 VIN_DC 在采樣電壓附近運(yùn)行參考電壓。

　　為此，使用外部電阻器對(duì) VIN_DC 開(kāi)路電壓進(jìn)行編程以提供采樣率，并且該采樣電壓由連接到 VREF_SAMP 引腳的外部電容器保持。

　　升壓轉(zhuǎn)換器通過(guò)將充電器的輸入電壓（由 VIN_DC 引腳檢測(cè)到）調(diào)節(jié)到存儲(chǔ)在 VREF_SAMP 引腳上的采樣參考電壓，間接調(diào)制主升壓充電器的輸入阻抗。MPPT 電路通過(guò)定期禁用充電器 256 ms 并對(duì)采集器的開(kāi)路電壓 （VOC） 的一小部分進(jìn)行采樣，每 16 秒獲得一個(gè)新的參考電壓。

　　對(duì)于太陽(yáng)能采集器，最大功率點(diǎn)通常為 VOC 的 70%-80%，而對(duì)于熱電采集器，MPPT 通常為 50%。將 VOC_SAMP 綁定到 VSTOR 在內(nèi)部將 MPPT 調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為 VOC 的 80%。將 VOC_SAMP 連接到 GND 在內(nèi)部將 MPPT 調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)置為 VOC 的 50%。如果輸入源沒(méi)有 VOC 的 80% 或 50% 作為其 MPP 點(diǎn)，則可以通過(guò)在 VIN_DC 和 GND 之間連接外部電阻器 ROC1 和 R 來(lái)優(yōu)化 MPPT 的精確比率以滿足正在使用的輸入源的需要。 -點(diǎn)在 VOC_SAMP。

　　外部控制

　　另一種方法是使用實(shí)??現(xiàn)更復(fù)雜 MPPT 算法的外部微控制器來(lái)生成可直接應(yīng)用于 VREF_SAMP 引腳的外部參考電壓。

　　這些替代 MPPT 算法包括諸如擾動(dòng)和觀察或增量電導(dǎo)等技術(shù)，并且可以在德州儀器 （TI ） 的MSP430等超低功耗微控制器中實(shí)施，以實(shí)現(xiàn)更多數(shù)字控制。

　　圖 2：德州儀器 （TI） 的超低功耗 MSP430 控制器可用于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的 MPPT 算法，以管理太陽(yáng)能電池的能量收集。

　　在 Perturb and Observe 算法（也稱為爬山算法）中，控制器會(huì)少量調(diào)整電池電壓并測(cè)量功率。如果功率增加，則嘗試在該方向進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，直到功率不再增加。

　　通過(guò)增量電導(dǎo)，控制器測(cè)量來(lái)自電池的電流 （dI/dV） 的增量變化，以預(yù)測(cè)電壓變化的影響。這需要在控制器中進(jìn)行更多計(jì)算，但可以比 Perturb 和 Observe 更快地跟蹤電壓以提供更高的效率。

　　第三種 MPPT 技術(shù)是電流掃描，它掃描電池電流以確定 IV 特性。這可以定期更新并計(jì)算出最佳功率曲線。

　　然而，在添加另一個(gè)微控制器方面存在重大權(quán)衡?；?RISC 的 16 位 MSP430 控制器在 16 MHz 時(shí)使用大約 9 mW 的功率進(jìn)行計(jì)算，并且有自己的數(shù)字電源管理要求。雖然它可以從睡眠模式快速通電，但這可能不是一個(gè)好處，因?yàn)閬?lái)自能量收集源的電源必須有時(shí)間穩(wěn)定下來(lái)。這意味著控制器的啟動(dòng)必須安排在能量收集電源管理器之后啟動(dòng)，與使用 bq25505 中已有的更簡(jiǎn)單的線性跟蹤 MPPT 算法相比，增加了更多的復(fù)雜性和功耗。

　　總體權(quán)衡取決于應(yīng)用所需的電量、太陽(yáng)能電池的大小以及子系統(tǒng)正在處理的其他功能。很可能有一個(gè)系統(tǒng)微控制器處理其他功能，這些功能也可用于運(yùn)行 MPPT 算法。

　　數(shù)字電源管理還需要處理各種存儲(chǔ)元件的特性；確保避免欠壓和過(guò)壓情況。

　　為防止損壞存儲(chǔ)元件，最大和最小電壓均根據(jù)內(nèi)部編程欠壓 （VBAT_UV） 和用戶可編程過(guò)壓 （VBAT_OV） 電平進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)電池或電容器上的電壓降至預(yù)設(shè)臨界水平以下時(shí)，管理子系統(tǒng)還會(huì)切換電池良好標(biāo)志以向外部微控制器發(fā)出信號(hào)。這應(yīng)該會(huì)觸發(fā)負(fù)載電流的脫落，以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀態(tài)。

　　過(guò)壓和電池正常 （VBAT_OK） 閾值是獨(dú)立編程的，因此 bq25505 和外部控制器（例如 MSP430）可以采用不同的電源管理選項(xiàng)。這突出了能量收集子系統(tǒng)和外部控制器中電源管理的平衡。

　　自主多路復(fù)用

　　除了升壓充電前端之外，bq25505 還為系統(tǒng)提供自主電源多路復(fù)用器柵極驅(qū)動(dòng)。這允許自主多路復(fù)用兩個(gè)存儲(chǔ)元件，以便為系統(tǒng)負(fù)載提供單個(gè)電源軌。該多路復(fù)用器使用 VBAT_OK 閾值，用戶可以通過(guò)電阻對(duì)其進(jìn)行編程。這允許用戶在系統(tǒng)由能量收集器存儲(chǔ)元件供電時(shí)設(shè)置電平，例如，用于臨時(shí)電源支持的可充電電池或超級(jí)電容器或諸如兩節(jié) AA 電池的初級(jí)不可充電電池。

　　這種類型的混合系統(tǒng)架構(gòu)允許根據(jù)收割機(jī)的可用能量來(lái)延長(zhǎng)典型電池供電系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。如果沒(méi)有足夠的能量來(lái)運(yùn)行系統(tǒng)，則主電池會(huì)在 8 μs 內(nèi)自動(dòng)切換到主系統(tǒng)電源軌，以提供不間斷的運(yùn)行。

　　毫微功耗管理

　　bq25505 的效率是通過(guò)專有的 Nano-Power 管理模塊和算法實(shí)現(xiàn)的。這會(huì)采樣并保持 VSTOR 電壓以降低平均靜態(tài)電流，從而使內(nèi)部電路僅在短時(shí)間內(nèi)處于活動(dòng)狀態(tài)，然后在剩余的時(shí)間段內(nèi)以最低可行占空比關(guān)閉。這在圖 3 中進(jìn)行了演示，其中監(jiān)控了圖 1 中的 VRDIV 節(jié)點(diǎn)。

　　圖 3：監(jiān)控 VRDIV 節(jié)點(diǎn)，這是 bq25505 毫微功耗管理的關(guān)鍵部分

　　這里 VRDIV 節(jié)點(diǎn)在第一個(gè)脈沖上提供到 VSTOR 電壓的連接，然后在短時(shí)間內(nèi)為 VBAT_OV 和 VBAT_OK 電阻分壓器生成參考電平。作為遲滯控制的一部分，每 64 ms 將每個(gè)引腳的分壓值與 VBIAS 進(jìn)行比較，由于這會(huì)偏置電阻串，因此只有在管理電路進(jìn)行連接時(shí)，通過(guò)這些電阻的電流才有效。這降低了電阻器中的總靜態(tài)電流，并有助于最大限度地降低總功耗。

　　結(jié)論

　　實(shí)施能量收集充電子系統(tǒng)需要密切關(guān)注功率預(yù)算。使用 MPPT 等數(shù)字電源管理技術(shù)來(lái)優(yōu)化從太陽(yáng)能電池或熱發(fā)電機(jī)等來(lái)源捕獲的能量，可以通過(guò)電源控制器中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單算法或通過(guò)在外部超低功耗控制器上運(yùn)行的更復(fù)雜算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。電源微控制器。諸如 bq25505 之類的充電器還可以為欠壓、過(guò)壓和故障轉(zhuǎn)移保護(hù)提供數(shù)字電源管理，這對(duì)于保護(hù)儲(chǔ)能設(shè)備（無(wú)論是可充電電池還是超級(jí)電容器）至關(guān)重要。