超低功耗能量收集解决方案

由于需要更少的能源消耗，特别是在远程无线传感应用中，系统和电路设计人员正在寻求收集环境能源。然而，从这些收获来源中获取最大收益具有挑战性，因为将其输出与其他存储，控制，处理，传感和其他任务的输入相匹配并非简单的任务，并且因不同的应用而异。

输出现代能量收集源，例如太阳能电池和热电发电机（TEG），相对较小，在几百μJ的能量范围内。因此，必须首先收集并累积它，以便在典型的3 V电路中实际使用它。

需要存储的能量取决于应用的使用情况和占空比，而储存能量所需的时间取决于能源以及能量如何有效地传递到本地存储设备。该存储设备可以是电池存储和备份，以及支持电子电路。典型的能量收集源，如电容器或纽扣电池（变体包括固态存储薄膜器件，超级和超级电容器和缓冲器），通常只消耗几μW。

太阳能电池应用程序，“冷”启动可能是一个问题。定义为在所有电路长时间关闭后打开太阳能电池，冷启动可以搁浅。电源管理控制器可以耗尽光伏电池的存储输出。在可能出现这种情况的情况下，建议使用专用备用电池。

或者，设计人员可以使用光伏电池的输出为控制器供电。现在可以使用用于太阳能收集的低功耗控制器。与备用电池一起，这个解决方案是可取的。

在目前可用的收获能源中，太阳能是最多产和最有希望的，具有更高的输出功率密度。其他来源包括TEG用于使用塞贝克效应发电的热梯度（差异），以及振动/运动和射频能量（见表1）。

无论选择何种能量收集技术，了解如何最大限度地将电力从该电源传输到存储设备非常重要。这需要使用有效的最大功率点跟踪（MPPT）算法将环境源阻抗与负载阻抗匹配。负载包括电源管理控制器和DC-DC转换器。对于太阳能和TEG源，STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集评估套件提供了MPPT管理的一个很好的例子（图1）。

图1：STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集评估套件为太阳能电池和TEG应用提供了MPPT管理的一个很好的例子。 （资料来源：意法半导体）

该套件基于该公司的SPV1050超低功耗能量收集器和电池充电器。它说明了一个现代解决方案，该软件图形用户界面（GUI）支持在任何温度或辐照度条件下显示MPPT和转换效率（图2）。

图2：STEVAL-021V1的能量收集套件的MPPT精度和功率效率曲线是可选择的GUI选项卡中的四个参数之一，显示在连接的PC或笔记本电脑显示屏上。 （来源：意法半导体）

在SPV1050本身中，传输晶体管在STORE和BATT引脚之间进行控制，并实现欠压保护（UVP）和充电结束（EOC）保护阈值（图3） ）。这些功能由两个控制电压VUVP和VEOC实现，可通过STORE和EOC引脚之间R4，R5和R6的电阻分区进行调节。

图3：在STMicroelectronics的SPV1050超低功耗能量采集器和电池充电器中，传输晶体管在STORE和BATT引脚之间进行控制并实现两者之下电压保护（UVP）和充电结束（EOC）保护阈值。 （资料来源：意法半导体）

完整的能量收集电源管理系统是Maxim Integrated的MAX17710能量收集充电器和保护器（图4）。

这款微型超薄（3） x 3 x 0.5 mm）采用UTDFN封装的IC可在1μW至100 mW的宽范围内为能量收集输出充电和保护微功率存储单元。它具有锂电池欠压保护和过压短路保护功能，仅使用1 nA的待机电流。

图4：小型MAX17710充电器和保护器IC Maxim Integrated是一个完整的储能电池系统，提供欠压和过压保护。 （来源：Maxim Integrated）

当连接到FB引脚时，可以使用分压电路来提高充电系统的充电效率，介于1.0和2.0 V之间（图5）。 IC的升压输入LX引脚控制通过外部电路电感的电流驱动。由电阻R1和R2组成的分压器允许FB引脚上的电压在FBON和FBOFF之间正确转换。这种情况发生在升压过程中。

图5：使用Maxim Integrated MAX17710充电器和保护器将充电系统的充电效率提高到1.0和2.0 V之间IC是由电阻R1和R2组成的分压器网络，允许FB引脚上的电压在FBON和FBOFF之间正确转换。这在增强过程中发生。 （来源：Maxim Integrated）

更复杂的控制

如果需要控制多个能量收集输出和存储设备，赛普拉斯半导体SAE101A能量收集电源管理IC适合账单（图6）。它通过开关控制进行操作，通过太阳能电池或主电池提供输入功率选择。

图6：赛普拉斯半导体的SAE101A能量收集电源管理IC通过开关控制操作，通过太阳能电池或原电池提供输入功率选择。 （来源：赛普拉斯半导体公司）

IC将收集的能量存储在输出电容器上并接通来自开关电路的电源，同时电容器电压在预设的最大和最小范围内，为负载提供能量

SAE101A上的七个开关允许它使用两个输入电源工作，即太阳能电池电压VDD和初级电压VBAT。

图7：赛普拉斯半导体SAE101A能量收集电源管理IC上的七个开关系列允许它使用两个输入电源工作，即太阳能电池电压VDD和初级电压VBAT。 （来源：赛普拉斯半导体公司）

监视VDD和VBAT引脚的电压，并根据电压状态执行输入电源的选择控制。输入电源（太阳能电池或原电池）暂时存储在连接到器件VSTORE1引脚的电容中。当VSTORE1的电压达到某个阈值或更高时，电源开关SWI连接VSTORE1和VOUT1。

该器件可用于与赛普拉斯半导体的EZ-BLE PRoC模块配合使用的无线传感器节点（图8）。

图8：赛普拉斯半导体的SAE101A电源管理IC和EZ-BLE PRoC模块提供无线传感器节点应用。 （来源：赛普拉斯半导体公司）

考虑应用

需要考虑的一个重要因素是能源需求变化的最终应用。这些包括家庭和建筑物的太阳能加热，工厂维护和控制，汽车和医疗应用等等。更换电池和其他存储设备的维护时间和频率问题，更不用说成本，必须在不使用能量收集源的情况下，使用电池和/或115 VAC线路电源为电子电路供电。

上述无线传感能力在电动机增殖并提供振动和热梯度能源的工业环境中尤为重要。这种趋势受到BLE（蓝牙低能耗）协议的推动。

估计电动机所有权的总成本可能很大，即使使用电池，当你考虑能量时可以从那些马达中收获。实际上，用于收集能量的低压增压器模块在市场上很容易获得，并且可以设置用于无线传感器网络。