专为能量收集应用而设计多模PMIC的特点

由于大多数环境源的能量输出不规则，对能量收集应用的需求尤为迫切。因此，电源管理IC（PMIC）在管理收获的能量输出以及提供所需水平的电压和电流方面发挥着重要作用。对于负责建筑能量收集设计的工程师而言，结合电源管理功能通常意味着相对简单地添加可从制造商处获得的专用PMIC，包括ADI公司，Intersil公司，凌力尔特公司和德州仪器公司等。

能量收集可以提供几乎永久的电力来源，但是来自环境源的能量变化需要仔细管理输送到负载的电压和电流。同时，电子产品中使用的传统PMIC提供了一系列广泛的功能，这些功能通常在简单的能量收集设计中不需要，并且会给已经紧张的功率预算增加不必要的负担。

能量收集PMIC与其通用型PMIC相比并不复杂，但这些设备旨在提供这些应用所需的更有限的功能集。与传统应用中的电源管理要求不同，能量收集PMIC至少需要能够从极低能源管理电源并以可用电平提供稳定电压。由于能源波动会导致功率水平降至可用水平以下，因此这些设备通常还需要提供“电源良好”信号，以指示调节输出何时超过某个最小阈值。除了这些基本功能之外，用于能量收集设计的PMIC还提供了一系列专门针对这些应用的特性和功能。

德州仪器TPS65290虽然专为能量收集应用而设计，但它是一种多模PMIC，能够满足各种电源管理要求，不仅适用于能量收集，还适用于其他低功耗设计（图1）。其片上功能使器件能够支持从微安到几百毫安的各种系统负载条件。片上功能包括一个非常低的静态电流常开电源，一个500 mA降压/升压转换器，一个150 mA低压差稳压器和八个配电开关。其集成的可编程输入电压监视器支持能量采集设计，特别是允许连接和断开不同的电源模块和开关，而无需主处理器的干预。此外，TPS65290还集成了电阻分压器，I 2 C上拉电阻，SPI下拉电阻，升压/降压补偿和中断上拉电阻。因此，工程师通常只需添加一些外部电容器和电感器，即可为能量收集应用提供全面的多轨解决方案。

图1：德州仪器（TI）TPS65290等专业PMIC提供的功能集旨在满足电源管理的要求，而不会进一步降低超高功率预算的负担 - 低功耗能量收集设计。 （德州仪器公司提供）

设计人员还可以找到许多专门设计的PMIC，以提供器件功能与更具体的能量收集源要求之间的紧密匹配。例如，Intersil ISL1801专为太阳能收集而设计，能够采用降压，升压或降压 - 升压拓扑结构，以最大限度地提高太阳能电池阵列的能量输出。在其电源管理功能中，PMIC集成了两个开关稳压器VR1和VR2（图2）。 VR1能够直接连接到高达90 V的输入电压，为VR2提供稳压电压，VR2又可用于为MCU或其他外部电路提供稳压电源。其电源良好信号（PGOOD2）表示VR2输出电压在所需的工作电平范围内。

图2：更专业的PMIC，例如Intersil ISL1801，专注于与太阳能电池阵列等特定能量收集应用相匹配的电源管理功能。 （由Intersil提供）

虽然TI TPS65290和Intersil ISL1801等器件为能量收集提供专用电源管理支持，但设计人员还可以在专用能量收集IC中找到复杂的电源管理功能，例如凌力尔特公司的LTC3108和LTC3588-2等。

凌力尔特公司的LTC3108电源管理器基于升压拓扑结构，使器件能够从低至20 mV的电源获取能量。除了用于为外部MCU供电的2.2 V LDO输出外，LTC3108的主要稳压输出还可由用户编程为四个固定电压之一，为其他应用电路供电。与同类产品中的大多数器件一样，LTC3108提供了一个电源良好指示器，用于指示主输出电压在稳压范围内。

其他能量收集设备，如凌力尔特公司的LTC3588-2，扩展了这些功能，将电源管理功能与完全收集压电设备产生的交流输出所需的功率调节功能相结合。凌力尔特公司的LTC3588-2通过将全波桥式整流器与高效降压转换器集成在一起，提供了更广泛的功能（图3）。除片内基准电压源和欠压锁定（UVLO）功能外，LTC3588-2还集成了一个比较器，当器件达到工程师设定的特定输出电压电平时，该比较器可产生电源就绪信号。

图3：更专业的能量收集设备结合了电源管理和电源调节功能，例如集成在其中的全波桥式整流器凌力尔特LTC3588-2。 （由Linear Technology提供）

光伏电池在其I-V曲线上称为最大功率点（MPP）的特定点处产生最佳功率输出。制造商提供额外的一类能量收集IC，其中包括处理此额外电源管理要求所需的功能。例如，凌力尔特公司的LTC3105集成了一个MPP控制器，可将光伏电池的输入电源电压维持在用户可编程的MPP控制阈值以上。该器件使用专有技术自动调节峰值电流限制，以将操作维持在最大化源输出功率的水平。

德州仪器（TI）设计的SM72442控制器与其SM72295全桥驱动器配合使用，以优化太阳能电池板的能量收集。集成到SM72442控制器中的最大功率点跟踪（MPPT）算法监控输入电流和电压，并控制PWM占空比，以维持最大化光伏模块能量输出所需的MPP设定点。为了保持MPP工作，该器件使用其片内8通道，12位模数转换器（ADC）来检测输入和输出电压和电流。

最后，制造商解决了许多专业能源采集应用中对电池管理的需求。面对环境能量或峰值电流需求的大幅波动，工程师通常需要使用能量存储设备（如超级电容器或可充电锂离子电池）来补充能量收集设计。诸如ADI公司ADP5090，凌力尔特公司LTC3331和德州仪器公司BQ25505等器件集成了这些应用所需的全部能量收集，电源管理和电池管理功能。例如，ADI公司的ADP5090具有集成的电源路径管理控制模块，能够自动切换能量采集电路，可充电电池甚至原电池的电源（图4）。

图4：ADI公司的器件ADP5090结合了能量收集，电源管理和电池充电功能，简化了环境中电池备份的设计 - 动力设计。 （由Analog Devices提供）

结论

在能量采集设计中，尽管环境能源波动，但电力管理在提供稳压电源方面发挥着至关重要的作用。虽然专用PMIC提供了针对能量收集设计的功能，但许多专用能量收集IC包括集成电源管理功能，作为其功能的一部分。使用这些能量采集PMIC和专用IC，工程师可以使用最少的附加组件轻松添加相对复杂的电源管理功能。