專(zhuān)為能量收集應(yīng)用而設(shè)計(jì)多模PMIC的特點(diǎn)

由于大多數(shù)環(huán)境源的能量輸出不規(guī)則，對(duì)能量收集應(yīng)用的需求尤為迫切。因此，電源管理IC（PMIC）在管理收獲的能量輸出以及提供所需水平的電壓和電流方面發(fā)揮著重要作用。對(duì)于負(fù)責(zé)建筑能量收集設(shè)計(jì)的工程師而言，結(jié)合電源管理功能通常意味著相對(duì)簡(jiǎn)單地添加可從制造商處獲得的專(zhuān)用PMIC，包括ADI公司，Intersil公司，凌力爾特公司和德州儀器公司等。

能量收集可以提供幾乎永久的電力來(lái)源，但是來(lái)自環(huán)境源的能量變化需要仔細(xì)管理輸送到負(fù)載的電壓和電流。同時(shí)，電子產(chǎn)品中使用的傳統(tǒng)PMIC提供了一系列廣泛的功能，這些功能通常在簡(jiǎn)單的能量收集設(shè)計(jì)中不需要，并且會(huì)給已經(jīng)緊張的功率預(yù)算增加不必要的負(fù)擔(dān)。

能量收集PMIC與其通用型PMIC相比并不復(fù)雜，但這些設(shè)備旨在提供這些應(yīng)用所需的更有限的功能集。與傳統(tǒng)應(yīng)用中的電源管理要求不同，能量收集PMIC至少需要能夠從極低能源管理電源并以可用電平提供穩(wěn)定電壓。由于能源波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致功率水平降至可用水平以下，因此這些設(shè)備通常還需要提供“電源良好”信號(hào)，以指示調(diào)節(jié)輸出何時(shí)超過(guò)某個(gè)最小閾值。除了這些基本功能之外，用于能量收集設(shè)計(jì)的PMIC還提供了一系列專(zhuān)門(mén)針對(duì)這些應(yīng)用的特性和功能。

德州儀器TPS65290雖然專(zhuān)為能量收集應(yīng)用而設(shè)計(jì)，但它是一種多模PMIC，能夠滿足各種電源管理要求，不僅適用于能量收集，還適用于其他低功耗設(shè)計(jì)（圖1）。其片上功能使器件能夠支持從微安到幾百毫安的各種系統(tǒng)負(fù)載條件。片上功能包括一個(gè)非常低的靜態(tài)電流常開(kāi)電源，一個(gè)500 mA降壓/升壓轉(zhuǎn)換器，一個(gè)150 mA低壓差穩(wěn)壓器和八個(gè)配電開(kāi)關(guān)。其集成的可編程輸入電壓監(jiān)視器支持能量采集設(shè)計(jì)，特別是允許連接和斷開(kāi)不同的電源模塊和開(kāi)關(guān)，而無(wú)需主處理器的干預(yù)。此外，TPS65290還集成了電阻分壓器，I 2 C上拉電阻，SPI下拉電阻，升壓/降壓補(bǔ)償和中斷上拉電阻。因此，工程師通常只需添加一些外部電容器和電感器，即可為能量收集應(yīng)用提供全面的多軌解決方案。

圖1：德州儀器（TI）TPS65290等專(zhuān)業(yè)PMIC提供的功能集旨在滿足電源管理的要求，而不會(huì)進(jìn)一步降低超高功率預(yù)算的負(fù)擔(dān) - 低功耗能量收集設(shè)計(jì)。 （德州儀器公司提供）

設(shè)計(jì)人員還可以找到許多專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的PMIC，以提供器件功能與更具體的能量收集源要求之間的緊密匹配。例如，Intersil ISL1801專(zhuān)為太陽(yáng)能收集而設(shè)計(jì)，能夠采用降壓，升壓或降壓 - 升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以最大限度地提高太陽(yáng)能電池陣列的能量輸出。在其電源管理功能中，PMIC集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器VR1和VR2（圖2）。 VR1能夠直接連接到高達(dá)90 V的輸入電壓，為VR2提供穩(wěn)壓電壓，VR2又可用于為MCU或其他外部電路提供穩(wěn)壓電源。其電源良好信號(hào)（PGOOD2）表示VR2輸出電壓在所需的工作電平范圍內(nèi)。

圖2：更專(zhuān)業(yè)的PMIC，例如Intersil ISL1801，專(zhuān)注于與太陽(yáng)能電池陣列等特定能量收集應(yīng)用相匹配的電源管理功能。 （由Intersil提供）

雖然TI TPS65290和Intersil ISL1801等器件為能量收集提供專(zhuān)用電源管理支持，但設(shè)計(jì)人員還可以在專(zhuān)用能量收集IC中找到復(fù)雜的電源管理功能，例如凌力爾特公司的LTC3108和LTC3588-2等。

凌力爾特公司的LTC3108電源管理器基于升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使器件能夠從低至20 mV的電源獲取能量。除了用于為外部MCU供電的2.2 V LDO輸出外，LTC3108的主要穩(wěn)壓輸出還可由用戶編程為四個(gè)固定電壓之一，為其他應(yīng)用電路供電。與同類(lèi)產(chǎn)品中的大多數(shù)器件一樣，LTC3108提供了一個(gè)電源良好指示器，用于指示主輸出電壓在穩(wěn)壓范圍內(nèi)。

其他能量收集設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC3588-2，擴(kuò)展了這些功能，將電源管理功能與完全收集壓電設(shè)備產(chǎn)生的交流輸出所需的功率調(diào)節(jié)功能相結(jié)合。凌力爾特公司的LTC3588-2通過(guò)將全波橋式整流器與高效降壓轉(zhuǎn)換器集成在一起，提供了更廣泛的功能（圖3）。除片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源和欠壓鎖定（UVLO）功能外，LTC3588-2還集成了一個(gè)比較器，當(dāng)器件達(dá)到工程師設(shè)定的特定輸出電壓電平時(shí)，該比較器可產(chǎn)生電源就緒信號(hào)。

圖3：更專(zhuān)業(yè)的能量收集設(shè)備結(jié)合了電源管理和電源調(diào)節(jié)功能，例如集成在其中的全波橋式整流器凌力爾特LTC3588-2。 （由Linear Technology提供）

光伏電池在其I-V曲線上稱為最大功率點(diǎn)（MPP）的特定點(diǎn)處產(chǎn)生最佳功率輸出。制造商提供額外的一類(lèi)能量收集IC，其中包括處理此額外電源管理要求所需的功能。例如，凌力爾特公司的LTC3105集成了一個(gè)MPP控制器，可將光伏電池的輸入電源電壓維持在用戶可編程的MPP控制閾值以上。該器件使用專(zhuān)有技術(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)峰值電流限制，以將操作維持在最大化源輸出功率的水平。

德州儀器（TI）設(shè)計(jì)的SM72442控制器與其SM72295全橋驅(qū)動(dòng)器配合使用，以優(yōu)化太陽(yáng)能電池板的能量收集。集成到SM72442控制器中的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）算法監(jiān)控輸入電流和電壓，并控制PWM占空比，以維持最大化光伏模塊能量輸出所需的MPP設(shè)定點(diǎn)。為了保持MPP工作，該器件使用其片內(nèi)8通道，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）來(lái)檢測(cè)輸入和輸出電壓和電流。

最后，制造商解決了許多專(zhuān)業(yè)能源采集應(yīng)用中對(duì)電池管理的需求。面對(duì)環(huán)境能量或峰值電流需求的大幅波動(dòng)，工程師通常需要使用能量存儲(chǔ)設(shè)備（如超級(jí)電容器或可充電鋰離子電池）來(lái)補(bǔ)充能量收集設(shè)計(jì)。諸如ADI公司ADP5090，凌力爾特公司LTC3331和德州儀器公司BQ25505等器件集成了這些應(yīng)用所需的全部能量收集，電源管理和電池管理功能。例如，ADI公司的ADP5090具有集成的電源路徑管理控制模塊，能夠自動(dòng)切換能量采集電路，可充電電池甚至原電池的電源（圖4）。

圖4：ADI公司的器件ADP5090結(jié)合了能量收集，電源管理和電池充電功能，簡(jiǎn)化了環(huán)境中電池備份的設(shè)計(jì) - 動(dòng)力設(shè)計(jì)。 （由Analog Devices提供）

結(jié)論

在能量采集設(shè)計(jì)中，盡管環(huán)境能源波動(dòng)，但電力管理在提供穩(wěn)壓電源方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。雖然專(zhuān)用PMIC提供了針對(duì)能量收集設(shè)計(jì)的功能，但許多專(zhuān)用能量收集IC包括集成電源管理功能，作為其功能的一部分。使用這些能量采集PMIC和專(zhuān)用IC，工程師可以使用最少的附加組件輕松添加相對(duì)復(fù)雜的電源管理功能。