適用于DC能源采集應用的電源應用解決方案及選擇

作者：Karthik Kadirvel、John Carpenter和Brian Lum-Shue-Chan

過去幾年，各大公司都做出了相當大的努力，目標是讓一些持續(xù)供電和無電池型系統(tǒng)能夠利用自然能工作。開發(fā)這種系統(tǒng)所需的關鍵集成電路 （IC） 是超低功耗微處理器、無線電器件和電源管理 IC。盡管我們在低功耗微處理器和無線電器件方面已經取得了相當大的進步，但適用于能源采集應用的一些電源管理 IC 只到最近才出現(xiàn)在市場上。本文將簡單介紹一些可用自然能源，之后將詳細討論為這些能源選擇 PMIC 時需要考慮的因素。

自然能電源廣義上可劃分為直流 （DC） 電源和交流 （AC） 電源。DC 電源包括采集自各種能源的采集能量，它們隨光照強度和熱梯度變化較慢，使用太陽能電池板和熱電發(fā)電機。這些采集器的輸出電壓不必經過整流。AC 集成器包括使用壓電材料、電磁發(fā)電機和整流天線，采集自振動和射頻功率的能量。在用于為某個系統(tǒng)供電以前，必須對這些能源采集器的輸出整流至某個 DC 電壓。本文中，只有 DC 能源采集器被看作是利用這些能源的能量采集器，相比 AC 采集器，它更容易獲得高輸出。

圖 1 一般能源采集系統(tǒng)結構圖

圖 1 顯示了能源采集系統(tǒng)的一般架構。該總系統(tǒng)由自然能電源、能量緩沖器（超級電容器/電池）、電源管理集成電路 （PMIC） 和系統(tǒng)負載組成。由于能源可用能量取決于隨時間變化的環(huán)境條件，因此獲取能源能量后存儲于能量緩沖器。系統(tǒng)負載通過能量緩沖器供電驅動。這樣做可讓系統(tǒng)在沒有可用自然能的情況下仍然能夠正常工作。電源管理單元由一個 DC/DC 功率轉換器（能源采集器接口經過優(yōu)化）、電池管理電路、輸出穩(wěn)壓器和冷啟動單元組成。接下來，我們將逐一討論這些模塊的功能和設計考慮因素。

充電器

充電器的功能是從太陽能電池板或者 TEG 獲取最大有效能量，然后將其傳輸至存儲組件。充電器的主要考慮因素包括拓撲結構、效率、最大功率提取網絡和復雜度。常見充電器拓撲包括線性壓降 （LDO） 穩(wěn)壓器、降壓轉換器、增壓轉換器和升降壓轉換器。

使用太陽能電池板時，拓撲結構主要取決于太陽能電池板堆棧的輸出電壓。一般而言，單節(jié)電池太陽能板的輸出為 0.5V。因此，對于單節(jié)電池和兩節(jié)電池太陽能板的系統(tǒng)來說，要求使用一個增壓轉換器拓撲，因為鎳氫電池和鋰離子電池的電池電壓一般大于 1.2V 和 3V。更多串聯(lián)電池時，可以使用如二極管整流器、降壓穩(wěn)壓器或者LDO等其它轉換器。就熱電發(fā)電機而言，輸出電壓范圍為 10mV 到 500 mV。因此，使用熱電發(fā)電機 （TEG） 時，我們主要選擇增壓轉換器。串聯(lián)堆疊許多TEG來獲得更高的電壓是可能的，這樣便可以使用 LDO 或者降壓穩(wěn)壓器。這種方案的缺點是存在較大的 TEG 堆棧串聯(lián)阻抗。

圖 2 （a-b）、太陽能電池板和熱電發(fā)電機模型

為了從太陽能電池板或者熱電發(fā)電機獲取最大功率，電池板或者 TEG 必須工作在其最大功率點。要理解能源采集器需在其最大功率點下工作的原因，請分別參見圖 2a 和圖 2b 所示太陽能電池板和 TEG 模型。可將太陽能電池板建模為一個反向偏置二極管，其提供寄生電容 （CHRV） 并聯(lián)電流。二極管的電流輸出與光照強度成比例關系。熱電發(fā)電機模型由一個與電阻器串聯(lián)的電壓源組成。電阻器模型和 TEG 內部阻抗取決于材料屬性和 TEG 的體積。使用典型太陽能電池板和 TEG 時，圖 3 和圖 4 分別顯示了電流對電壓和功率對電壓情況。您可以看到，就太陽能電池板而言，在約 80% 開路電壓 （OCV） 時得到最大功率。類似地，就 TEG 而言，在50% OCV 時獲得最大功率點。

根據(jù)圖 3 所示曲線圖，可以很清楚地知道，需要一個接口電路來獲得最大有效功率。最大功率提取電路動態(tài)地調節(jié)功率轉換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進行太陽能采集時，利用開路電壓固定部分輸入電壓調節(jié)、短路電流固定部分輸入電流調節(jié)等簡單技術，或者使用一些基于微處理器的復雜技術，可以實現(xiàn)最大功率提取。

圖 3 太陽能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

圖 4 熱電發(fā)電機的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

從 TEG 提取最大功率的一些技術包括動態(tài)改變 DC/DC 轉換器開關頻率，然后在 50% 開路電壓對 DC/DC 轉換器輸入電壓進行調節(jié)。在所有這些轉換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉換器拓撲結構的選擇，是在設計復雜度、組件數(shù)目和效率之間進行權衡的一個過程。開關式轉換器一般擁有比線性穩(wěn)壓器更好的效率，但代價是組件數(shù)目更多、設計更復雜且占用電路板空間更大。

電池管理電路

在能源采集系統(tǒng)中，能量緩沖器用于存儲來自能源采集器的有效間歇性能量。之后，使用所存儲的能量為系統(tǒng)供電。即使可用能源存在不連續(xù)的情況下，這種架構也可讓總系統(tǒng)持續(xù)工作。常用能量緩沖器包括各種化學物質的可重復充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進行監(jiān)控，確保該電壓在由欠電壓 （UV） 和過電壓 （OV） 閾值確定的安全工作區(qū)域內。其次，它對能量緩沖器的容量進行監(jiān)控，并為有效工作所需能量可用情況相關的負載提供指示。利用一些簡單的技術，例如：能量緩沖器電壓監(jiān)控或者使用電量計方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進行測量，便可完成對電量的測量。當使用簡單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時，我們可以實現(xiàn)一種被稱作電力良好水平的用戶可編程中間電壓電平。

電池管理部分的設計考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復充電電池時，OV 和 UV 閾值基于電池的化學物質組成。使用超級電容器時，OV 和 UV 閾值由 IC 和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設置，可以最大化系統(tǒng)的壽命。電池管理部分的另一個設計考慮因素是電池管理部分消耗的靜態(tài)電流。電池管理模塊電路包括基準、比較器和數(shù)字邏輯等基礎模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因為，電池管理部分使用的任何能量都會使電池漏電，并且這種能量并未提供給外部負載。

冷啟動

冷啟動單元是一種備選模塊，在典型能源采集 PMIC 中可有可無。冷啟動單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時幫助系統(tǒng)啟動。具體冷啟動單元設計取決于不同的應用。就太陽能應用而言，我們可以使用一個輸入驅動型（相對于電池供電型）振蕩器來驅動暫時低效的開關式轉換器的開關［1］。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開關式轉換器便可接管。就熱電發(fā)電機而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓撲或者利用系統(tǒng)的機械運動，來實現(xiàn)冷啟動單元［2，3］。這種模塊的設計考慮因素為最小啟動電壓、啟動功率、峰值浪涌電流和啟動所需時間。

穩(wěn)壓器

穩(wěn)壓器的功能是對電池電壓進行調節(jié)，以提供穩(wěn)定的電壓。這種模塊的拓撲取決于電池、系統(tǒng)負載要求和靜態(tài)電流。

總結

本文中，我們討論了適用于 DC 能源采集應用的電源管理 IC 設計或者選擇過程中需要考慮的一些重要因素，包括每個 IC 基礎模塊的設計考慮因素等。能源采集 PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在單塊 IC 上。PMIC 選擇取決于能源采集源、能量緩沖器和系統(tǒng)負載。

作者簡介

Karthik Kadirvel現(xiàn)任 TI 微型電源能量采集產品部的混頻信號設計工程師。他畢業(yè)于美國弗羅里達大學 （University of Florida），獲博士學位。

John Carpenter現(xiàn)任 TI 微型電源能量采集產品部系統(tǒng)工程師。他畢業(yè)于美國南弗羅里達大學 （University of South Florida），獲碩士學位。

Brian Lum-Shue-Chan 現(xiàn)任 TI 電池管理產品部設計經理。他畢業(yè)于美國佐治亞州亞特蘭大喬治亞理工學院 （Georgia Institute of Technology， Atlanta， Georgia），獲電子工程理學學士學位和碩士學位。

責任編輯：gt