微瓦級電源在能量收集應(yīng)用中的作用

隨著公司轉(zhuǎn)向采用環(huán)境供電為電路供電的能量收集，工程師發(fā)現(xiàn)自己面臨著各種能源，提供了截然不同的輸出功率范圍。對于使用太陽能或工業(yè)級熱能或振動能的許多能量收集應(yīng)用，持續(xù)輸出功率可以輕松達到毫瓦級。然而，對于其他應(yīng)用，工程師發(fā)現(xiàn)自己在微生物功率水平或以下的挑戰(zhàn)中從消費者應(yīng)用中獲取來自生物資源，室內(nèi)照明或RF的功率。例如，從振動中獲取功率的無線傳感器在連接到振動時可能接近1 mW的持續(xù)輸出。工業(yè)電機，但在人體運動供電時可能只有1μW。同樣，太陽能驅(qū)動的能量收集應(yīng)用可以很容易地在戶外位置獲得數(shù)十毫瓦的功率，但室內(nèi)的功率不到幾十微瓦。

對于這些應(yīng)用，工程師可以使用Advanced Linear Devices，Cymbet，Infinite Power Solutions，Linear Technology，Microchip Technology，Taiyo Yuden和Texas Instruments等眾多可用組件，IC和模塊。

應(yīng)對微瓦能源需要仔細(xì)考慮典型微型采集設(shè)計的每個階段（圖1）。對于電源 - 包括能量采集傳感器和電源管理部分 - 工程師需要確保設(shè)計最大化從源提取能量，并有效地積累從環(huán)境源滴入的能量，以提供與應(yīng)用相關(guān)的峰值負(fù)載。

圖1：在使用環(huán)境能源供電的典型應(yīng)用中，工程師需要優(yōu)化設(shè)計的每個階段。 （德州儀器公司提供。）

太陽能電池，壓電設(shè)備和熱電發(fā)電機（TEG）等能量傳感器具有特征功率輸出曲線，從開路電壓（Voc）的零點升至最大功率點（ MPP）在短路電流水平回落到零之前。對于諸如具有非線性源阻抗的太陽能電池的換能器，功率曲線相應(yīng)地是非線性的（圖2），而具有作為壓電器件的換能器和具有恒定源阻抗的TEG表現(xiàn)出正常的鐘形功率曲線。然而，同時，任何換能器的MPP可以根據(jù)環(huán)境和能量波動而顯著變化，例如落在太陽能電池上的入射光或壓電裝置的能量源的頻率變化。

圖2：在典型太陽能電池的典型功率曲線中，功率輸出變化很大，在最大功率點達到峰值，負(fù)載阻抗與負(fù)載阻抗相匹配換能器源阻抗。 （由Cymbet提供。）

對于所有這些傳感器，最大化功率輸出需要通過最大功率點跟蹤（MPPT）使傳感器的負(fù)載阻抗與其源阻抗相匹配。對于諸如壓電器件和TEG的恒阻抗傳感器，可以通過將傳感器輸出電壓維持在Voc/2來實現(xiàn)MPPT。然而，對于太陽能電池，MPPT需要更復(fù)雜的方法，例如擾動和觀察算法，其通過改變輸出電壓并觀察對功率輸出的影響來主動搜索MPP。

可用設(shè)備有助于簡化高效電源管理階段的設(shè)計。設(shè)計用于低至20 mV的輸入電壓，凌力爾特公司的LTC3108和LTC3109等IC專為低輸入電壓傳感器（如TEG）而設(shè)計，只需少量元件即可為應(yīng)用實現(xiàn)多電壓電源傳感器，MCU和無線設(shè)備等電路（圖3）。

圖3：設(shè)計用于低輸入電壓能量收集，諸如Linear LTC3108之類的器件集成了升壓轉(zhuǎn)換器，電壓基準(zhǔn)，充電控制和輸出電壓調(diào)節(jié)器。 （由Linear Technology提供。）

其他設(shè)備，如Linear LTC3105和德州儀器的bq25504，采用MPPT算法，旨在保持非線性傳感器（如太陽能電池）的最大功率輸出，盡管入射能量發(fā)生變化，傳感器時代，或其他可以移動MPP的瞬態(tài)環(huán)境因素。

工程師還可以使用插入式模塊（如Advanced Linear Devices EH4295）找到讀取解決方案。 EH4295旨在提高ALD的EH300和EH300A能量收集模塊的輸入電壓，其工作電源電壓低至2μW。

此外，Cymbet CBC915能量處理器等片上系統(tǒng)（SoC）解決方案集成了完整的能量收集解決方案，包括用于儲能設(shè)備的復(fù)雜MPPT，電源管理和充電控制，例如Cymbet EnerChip? CBC050薄膜儲能裝置。

涓流充電

對于極低能源或更苛刻的應(yīng)用要求，環(huán)境源提供的能量涓流可能不足以達到峰值活動期。因此，能量收集應(yīng)用通常將受益于使用諸如薄膜電池或超級電容器的能量存儲裝置。

Cymbet CBC050或Infinite Power Solutions等薄膜電池THINERGY?MEC200系列提供長期存儲，具有極低的漏電流。超級電容器能夠快速釋放能量，為峰值負(fù)載提供最大功率輸出。此外，工程師可以使用多并苯（PAS）電容器等設(shè)備，將薄膜電池的大容量優(yōu)勢與超級電容器的使用壽命延長相結(jié)合。例如，太陽誘電的PAS3225P2R6143和PAS3225P3R3113等PAS電容可在相對較長的放電期間保持最大電壓輸出電平（圖4）。

圖4：太陽能登PAS3225P3R3113等PAS電容器結(jié)合了薄膜電池和超級電容器的許多優(yōu)點，在長時間放電時保持接近恒定的輸出（這里，10μA放電電流）。 （由Taiyo Yuden提供。）

最大限度地降低功耗

盡管在典型的能量收集應(yīng)用的電源階段（參見圖1），最大化能量提取是最重要的，但最大限度地降低應(yīng)用電路的功耗至關(guān)重要成功實施微瓦能量收集。對于應(yīng)用電路，工程師可以轉(zhuǎn)向越來越多的可用MCU，這些MCU在主動和待機模式下均以最低功率運行。例如，Microchip Technology PIC24FJ128GA310 MCU在深度睡眠模式下僅消耗10 nA，在具有有源看門狗定時器的深度睡眠模式下僅消耗270 nA，在運行模式下僅消耗150μA/MHz。德州儀器（TI）的“Wolverine”MCU，例如MSP430FR5720混合信號MCU，在數(shù)據(jù)保持模式下僅消耗320 nA，在工作模式下僅消耗81.4μA/MHz。

實際上，對于旨在監(jiān)控緩慢變化特性的應(yīng)用程序，設(shè)備通常在大多數(shù)時間都處于待機模式。例如，在主動與待機比為1：1，000的設(shè)計中，待機電流占系統(tǒng)功率的83％以上（表1）。因此，工程師需要特別注意候選設(shè)備的待機電流特性 - 并在確定能源預(yù)算時仔細(xì)計算待機功率要求。

有源待機比率待機時間％時間有效×IActive（μAs）TimeStandby×IStandby（μAs）總電荷（μAs）％IStandby對總功率的影響1:10 90％100 5 107 6.54％1：100 99％ 100 50 150 33％1：1，000 99.9％100 500 600 83.3％