您的能量收集應(yīng)用是否使用具有高電壓和電流的大型太陽(yáng)能電池板，或者更常見的情況是，必須使用來自各種其他環(huán)境能源的微量電力，有一點(diǎn)幾乎可以肯定：某種類型的能源存儲(chǔ)在船上，無論是小型可充電鋰離子電池，超級(jí)電容器還是固態(tài)儲(chǔ)能技術(shù)。

對(duì)于工程師而言，這意味著我們不僅需要設(shè)計(jì)電路來收集和轉(zhuǎn)換環(huán)境能量，而且我們還必須包括能量收集接口（和保護(hù)電路）以及充電控制器。

本文著眼于單芯片能量收集設(shè)備，它也提供某種形式的電荷控制。它討論了提取能量的不同條件，以及試圖將功率從周圍環(huán)境中擠出時(shí)的預(yù)期。最后，本文將介紹一些典型的小型低功耗能量采集設(shè)計(jì)的集成解決方案。

睡眠和啟動(dòng)

低功耗內(nèi)存和微型計(jì)算機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間閑置和睡眠，僅繪制毫微安培。在睡眠周期期間，所采用的能量收集技術(shù)應(yīng)提供比睡眠電路所需的更多功率。當(dāng)累積足夠的多余能量來做一些有用的事情時(shí)，例如給電容器或電池充電，微型電腦就會(huì)被喚醒。

在某些情況下，手頭任務(wù)所需的能量很容易確定。例如，圖1顯示了一個(gè)采樣應(yīng)用，其中無線低功耗傳感器每隔一段時(shí)間喚醒，讀取一次，發(fā)送它，然后再回到睡眠狀態(tài)。它可以編程為從環(huán)境中緩慢吸取微安，以維持電容器或電池的充電。

圖1：對(duì)于數(shù)據(jù)記錄等定時(shí)間隔采樣應(yīng)用，可以通過降低采樣率來設(shè)置能耗。如果需要事件檢測(cè)并且采樣率太高，則可能會(huì)消耗太多能量。在這里，基于事件或閾值的喚醒是理想的，對(duì)收獲工作的需求減少。

事件驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)比較棘手。如果需要快速響應(yīng)事件，則需要更頻繁地喚醒微觀以確保必要的響應(yīng)時(shí)間。它醒來的次數(shù)越多，燃燒的能量越多，對(duì)收獲系統(tǒng)和蓄電池的需求就越大。

在這種情況下，為了節(jié)省能量，而不是上述的輪詢技術(shù)，中斷技術(shù)允許更長(zhǎng)的睡眠時(shí)間，從而節(jié)省更多能量。今天許多微型計(jì)算機(jī)具有閾值和事件檢測(cè)功能，讓微型保持睡眠狀態(tài)直到事件發(fā)生。通過巧妙的設(shè)計(jì)，可以減少對(duì)收割機(jī)的需求。

總的來說，能量采集器不僅需要收集能量，他們還需要調(diào)節(jié)能量并將其計(jì)量到電池和手邊的電路中。一個(gè)有效的設(shè)計(jì)來自Maxim及其MAX17710能量收集管理器IC（圖2）。

圖2：MAX17710有兩個(gè)輸入，針對(duì)低阻抗和高阻抗能源進(jìn)行了優(yōu)化，如太陽(yáng)能，壓電，射頻或熱電。此外，可調(diào)節(jié)和未調(diào)節(jié)的輸出可用于實(shí)時(shí)能量需求。

注意圖2中的兩個(gè)輸入;一個(gè)用于高壓源，如基于壓電或感應(yīng)RF的耦合輸入，另一個(gè)用于低壓，高電流源，如太陽(yáng)能電池。 IC內(nèi)部還有鋰電池和充電器過壓分流電路的欠壓保護(hù)。在任何一種情況下，電池保護(hù)都可確保它不會(huì)過充電并縮短其使用壽命。

該器件內(nèi)置升壓穩(wěn)壓器，具有升壓?jiǎn)?dòng)電路，可將電壓降至0.75 V（圖3）。這允許從例如遮蔽或暴露于逐漸減小的光水平的太陽(yáng)能電池板延長(zhǎng)能量收集。內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器具有3.3，2.3或1.8 V的可選穩(wěn)壓輸出電壓。還提供了非穩(wěn)壓輸出。有關(guān)更多信息，請(qǐng)參閱Infinite Power Solutions提供的太陽(yáng)能薄膜電池充電器參考設(shè)計(jì)。

圖3：0.75 V輸入的升壓?jiǎn)?dòng)在連續(xù)步驟中發(fā)生的時(shí)間少于8μs。

參考設(shè)計(jì)IC專為THINERGY?MEC系列電池而設(shè)計(jì)，同樣來自Infinite Power Solutions。這些可充電鋰電池4.1 V電池額定值為130μAh至2.2 mAh，高度僅為0.2 mm。當(dāng)采用這種類型的單一來源合作伙伴關(guān)系時(shí)，您可以期待緊密耦合且精心設(shè)計(jì)的解決方案。 Infinite Power Solutions的兩個(gè)應(yīng)用開發(fā)套件和一個(gè)感應(yīng)濕度，光照水平和溫度的無線環(huán)境傳感器板提供進(jìn)一步的設(shè)計(jì)幫助。

另一個(gè)值得注意的部分來自Benchmarq;德州儀器公司的一個(gè)部門。 BQ25504是一種能量采集接口芯片，可以從低輸入源（本例中為80 mV）持續(xù)獲取能量。它不是與一種特定的電池類型掛鉤，而是讓您使用外部電阻對(duì)欠壓和過壓電平進(jìn)行編程，以便更容易地適應(yīng)各種類型的電池（圖4）。滯后電平也可以編程，允許您定制BQ25504的輸出，以充電和控制各種電池或超級(jí)電容。

圖4：外部偏置電阻設(shè)置滯后和上下限電荷，因此bq25504單芯片采集電荷控制器可與各種電池和超級(jí)電容一起使用。

這部分的一些不錯(cuò)的功能是一個(gè)電池良好的輸出引腳和一個(gè)信號(hào)，讓嵌入式微型知道即將出現(xiàn)功率損耗。此部件還可用作啟用或禁用系統(tǒng)負(fù)載的開關(guān)。 Benchmarq/TI提供用于測(cè)試和評(píng)估器件的評(píng)估板。它還提供能量收集產(chǎn)品培訓(xùn)模塊的電源管理以及低功率升壓充電器的參考設(shè)計(jì)。

升級(jí)

一些通用開關(guān)電源設(shè)備具有足夠的靈活性，可直接針對(duì)能量收集應(yīng)用。一個(gè)典型的例子是凌力爾特公司的LTC3105 DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片，帶有計(jì)量輸出。作為Linear的能量收集電源產(chǎn)品的特色成員，它可以有效地從低至225 mV的電壓升壓，并從其內(nèi)部LDO提供6 mA輸出，專門用于低功耗嵌入式微處理器。

凌力爾特部件的一些優(yōu)點(diǎn)是寬輸入電壓范圍（0.225至5 V）和寬輸出充電電壓可調(diào)范圍（1.5至5.25 V）。它還具有電源良好輸出信號(hào)和1.4至5 V的可調(diào)節(jié)LDO輸出。此外，它還具有關(guān)斷引腳，可用作電源開關(guān)和溫度補(bǔ)償傳感器。

Key是它能夠設(shè)置功率點(diǎn)設(shè)置（使用外部電阻分壓器）。太陽(yáng)能電池和熱電元件等能源設(shè)備具有最大功率輸送的最佳點(diǎn)。自動(dòng)調(diào)節(jié)峰值電流限制，以將操作維持在最佳電壓水平并提取最多能量。

LT3015的文檔中介紹了幾種參考設(shè)計(jì)，包括單節(jié)光伏NiMH涓流充電器（圖5）。

圖5：各種參考設(shè)計(jì)和應(yīng)用筆記均支持凌力爾特能量采集器部件，如此處所示的熱電發(fā)電機(jī)和單光電池NiMH充電器。

同一屋檐下的電池和充電控制器

Cymbet的一項(xiàng)有趣技術(shù)是其固態(tài)電池系列以及一系列能量收集和電荷控制芯片來支持它們。例如，CBC915能量處理器芯片能夠使用任何類型的能量收集格式來實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。 CBC915還提供內(nèi)置溫度補(bǔ)償充電控制。

Cymbet提供有用的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊教程，介紹其固態(tài)電池和充電控制器以及能源管理和能量收集演示和評(píng)估套件，因此您可以低成本，低風(fēng)險(xiǎn)快速輕松地評(píng)估該技術(shù)。 TechZone文章“仔細(xì)研究能量收集：Cymbet能量收集開發(fā)套件”提供了對(duì)Cymbet開發(fā)套件的評(píng)論。

總之，能量收集有望使一類新的超低功耗和自供電設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)。隨著能量存儲(chǔ)設(shè)備繼續(xù)提供更快的充電，更高的容量和更長(zhǎng)的生命周期，可以期望更多的供應(yīng)商提供電源管理IC以創(chuàng)建無縫的能量收集解決方案。