在過去幾年中，許多公司都在努力開發(fā)‘永不斷電’的免電池供電系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可以利用環(huán)境能量進(jìn)行作業(yè)。開發(fā)這種系統(tǒng)所需的關(guān)鍵積體電路（IC）是超低功耗微處理器、射頻電路和電源管理IC （PMIC）。

　　雖然業(yè)界在低功耗微處理器和射頻電路領(lǐng)域中已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但適合能量採集應(yīng)用的PMIC最近幾年才開始投入市場。本文首先簡要介紹一些可用的環(huán)境能源，然后詳細(xì)討論為這些能源選擇PMIC時(shí)需要考慮的因素。

　　環(huán)境能源從廣義上可以分成直流（DC）電源和交流（AC）電源。DC電源主要從隨時(shí)間緩慢變化的能源採集能量，例如，分別使用太陽能電池板和熱電式發(fā)電機(jī)的光強(qiáng)度和熱梯度，這些採集器的輸出電壓不必再進(jìn)行整流。

　　AC採集器主要使用壓電材料、電磁產(chǎn)生器和整流天線，從振動(dòng)和射頻能源採集能量。這些能量採集器的輸出，在用來為系統(tǒng)供電之前必須先整流為DC電壓。本文只討論DC能量採集器，因?yàn)榕cAC採集器相較，使用這些DC能源的能量採集器更容易大量實(shí)現(xiàn)。

　　圖1顯示能量採集系統(tǒng)的常見架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由環(huán)境能源、能量緩衝器（超級(jí)電容器/電池）、PMIC和系統(tǒng)負(fù)載組成。由于來自能源的可用能量取決于隨時(shí)間變化的環(huán)境條件，因此這些能量要在可用時(shí)被擷取出來，并儲(chǔ)存在能量緩衝器中。

　　圖1：典型的能量采集系統(tǒng)架構(gòu)圖。

　　系統(tǒng)負(fù)載從能量緩衝器供電。這樣即使沒有可用的環(huán)境能量，整個(gè)系統(tǒng)也能運(yùn)作。電源管理單元本身由DC/DC電源轉(zhuǎn)換器（具有連接能量採集器的最佳介面）、電池管理電路、輸出穩(wěn)壓器和冷開機(jī)單元組成。以下討論每個(gè)模組的功能和設(shè)計(jì)考慮要素。

　　充電器

　　充電器的功能是從太陽能電池板，或熱電式發(fā)電機(jī)（TEG）獲取最大可用的能量，然后將這些能量傳送到儲(chǔ)存單元。針對充電器所要考慮的首要因素包括拓墣、效率、最大能量擷取網(wǎng)路和復(fù)雜性。普通充電器拓?fù)浒ň€性降壓（LDO）穩(wěn)壓器、降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和降壓－升壓轉(zhuǎn)換器。

　　對于太陽能電池板來說，拓?fù)渲饕Q于太陽能電池板堆疊的輸出電壓。一般而言，單節(jié)電池太陽能電池板的輸出電壓是0.5V。因此，對于具有單節(jié)電池和兩節(jié)電池太陽能電池板的系統(tǒng)，要求採用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌驗(yàn)殡姵仉妷簩τ贜iMH通常要大1.2V，對于鋰離子電池要大3V。至于數(shù)量更多的串聯(lián)式電池，可以使用二極體整流器、降壓穩(wěn)壓器或LDO等其它轉(zhuǎn)換器。對于TEG而言，輸出電壓範(fàn)圍從10mV至500mV。因此，升壓轉(zhuǎn)換器是首選拓墣。可以將許多TEG串列堆疊起來，獲得更高的電壓，以便使用LDO或降壓穩(wěn)壓器。不過，這種方案的缺點(diǎn)是具有較大的TEG堆疊串聯(lián)阻抗。

　　為了從太陽能電池板或熱電式發(fā)電機(jī)擷取最大的能量，電池板或TEG必須工作在最大功率點(diǎn)。為了理解能量採集器工作在最大功率點(diǎn)的需求，可以分別考慮如圖2a和圖2b所示的太陽能電池板和TEG模型。

　　圖2：a）太陽能電池板模型，b）熱電式發(fā)電機(jī)模型。

　　太陽能電池板可以建模成一個(gè)提供電流的反向偏置二極體并聯(lián)一個(gè)寄生電容器（CHRV）；二極體的電流輸出正比于光強(qiáng)度。TEG模型由一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻組成；電阻型號(hào)和TEG的內(nèi)部阻抗取決于TEG的材料屬性和尺寸。

　　典型的太陽能電池板和TEG的電流與電壓，以及功率與電壓的關(guān)係分別如圖3和圖4所示。從圖中可以看到，對太陽能電池板而言，在開路電壓（OCV）約80%處可以獲得最大功率。同樣，對于TEG而言，可以在OCV的50%處獲得最大功率點(diǎn)。

　　圖3：太陽能電池板的電壓與電流、電壓與功率關(guān)係。

　　圖4：熱電式發(fā)電機(jī)的電壓與電流、電壓與功率關(guān)係。

　　從圖3所示的曲線可以明顯看到，需要一個(gè)介面電路來擷取可用的最大功率。最大功率擷取電路，透過動(dòng)態(tài)調(diào)整電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗來取最大功率。對太陽能收集來說，最大功率擷取是使用簡單技術(shù)完成的，比如輸入電壓穩(wěn)定在固定的一小部份開路電壓值、輸入電流穩(wěn)定在固定的一小部份短路電流值，或者使用復(fù)雜的基于微處理器的技術(shù)。

　　有多種技術(shù)可以從熱電式發(fā)電機(jī)擷取最大功率，包括動(dòng)態(tài)改變DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，將DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓穩(wěn)定在開路電壓的50%處。在所有這些轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓都由能量緩衝器決定。

　　值得注意的是，轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞倪x擇是在設(shè)計(jì)復(fù)雜性、元件數(shù)量和效率之間的折衷。開關(guān)轉(zhuǎn)換器通常可以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，但代價(jià)是增加了元件數(shù)量、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和電壓板空間。

　　電池管理電路

　　在能量採集系統(tǒng)中，能量緩衝器用于儲(chǔ)存從能量採集器獲得的間歇能量。然后再用這種儲(chǔ)存的能量為系統(tǒng)供電。這種架構(gòu)允許整個(gè)系統(tǒng)即使在能量是間歇獲得的條件下也能連續(xù)工作。常用的能量緩衝器包括，採用不同化學(xué)物質(zhì)的可充電電池以及超級(jí)電容器。電池管理電路有兩大功能：首先，它能監(jiān)視能量緩衝器上的電壓，并確保這個(gè)電壓在由欠壓（UV）和過壓（OV）閾值確定的安全工作範(fàn)圍內(nèi)；其次，它能監(jiān)視能量緩衝器的容量，并向負(fù)載指示執(zhí)行有用工作的可用能量。

　　容量測量可以用簡單技術(shù)完成，例如監(jiān)測能量緩衝器上的電壓，或使用燃料測定技術(shù)，這種技術(shù)可測量電池輸出和吸收的電壓與電流。在使用簡單的電壓技術(shù)提供能量緩衝器遺留容量指示的情況下，可以實(shí)現(xiàn)被稱為電能良好等級(jí)的使用者可程式設(shè)計(jì)中間電壓值。

　　電池管理部份的設(shè)計(jì)考慮要素取決于使用的能量緩衝器。對于可充電電池而言，0V和UV閘限基于電池化學(xué)成份。對于超級(jí)電容器來說，OV和UV閘限則取決于IC的絕對最大額定值，以及電容器的絕對最大額定值中較低的值。使用針對能量緩衝器的最優(yōu)設(shè)置參數(shù)，可以大幅延長系統(tǒng)壽命。

　　電池管理部份的另外一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素是，電池管理部份消耗的靜態(tài)電流。電池管理模組中的電路包括參考基準(zhǔn)、比較器和數(shù)位邏輯等建構(gòu)模組。這些電路消耗的電流必須最小化。這是因?yàn)殡姵毓芾聿糠菔褂玫娜魏文芰慷紩?huì)洩漏電池能量，這部份能量是無法提供給外部負(fù)載的。

　　冷開機(jī)

　　冷開機(jī)單元是一款可選模組，可能出現(xiàn)在典型的能量採集PMIC中，也可能不出現(xiàn)。冷開機(jī)單元的功能是當(dāng)儲(chǔ)存單元中儲(chǔ)存的能量不夠時(shí)為系統(tǒng)進(jìn)行引導(dǎo)。

　　冷開機(jī)單元的設(shè)計(jì)取決于具體應(yīng)用。對于太陽能應(yīng)用來說，可以使用輸入供電（相對于電池供電）的振盪器，來驅(qū)動(dòng)暫時(shí)低效率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器的開關(guān)。一旦能量緩衝器中建立起足夠的能量，高效率的開關(guān)轉(zhuǎn)換器就可以接管了。

　　對于熱電式發(fā)電機(jī)而言，冷開機(jī)單元可以使用變壓器耦合式振盪器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，或使用系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這種模組的設(shè)計(jì)考慮因素包括最小啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)功率、峰值突波電流和啟動(dòng)所需的時(shí)間。

　　穩(wěn)壓器

　　穩(wěn)壓器的功能是從電池提供穩(wěn)定的電壓。這個(gè)模組的拓?fù)淙Q于電池、系統(tǒng)負(fù)載要求和靜態(tài)電流。

　　本文小結(jié)

　　本文討論為DC能量採集應(yīng)用設(shè)計(jì)，以及選擇電源管理IC時(shí)要考慮的關(guān)鍵因素，包括針對每個(gè)IC建構(gòu)模組的設(shè)計(jì)考慮要點(diǎn)。用于能量採集的PMIC，可以將某些或全部功能都整合在單個(gè)IC上。PMIC的選擇取決于能量採集源、能量緩衝器和系統(tǒng)負(fù)載。