適用于能量采集應用的電源管理架構

根據圖 3 所示曲線圖，可以很清楚地知道，需要一個接口電路來獲得最大有效功率。最大功率提取電路動態(tài)地調節(jié)功率轉換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進行太陽能采集時，利用開路電壓固定部分輸入電壓調節(jié)、短路電流固定部分輸入電流調節(jié)等簡單技術，或者使用一些基于微處理器的復雜技術，可以實現最大功率提取。

圖 3 太陽能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

圖 4 熱電發(fā)電機的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

從 TEG 提取最大功率的一些技術包括動態(tài)改變 DC/DC 轉換器開關頻率，然后在 50% 開路電壓對 DC/DC 轉換器輸入電壓進行調節(jié)。在所有這些轉換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉換器拓撲結構的選擇，是在設計復雜度、組件數目和效率之間進行權衡的一個過程。開關式轉換器一般擁有比線性穩(wěn)壓器更好的效率，但代價是組件數目更多、設計更復雜且占用電路板空間更大。

電池管理電路
在能源采集系統(tǒng)中，能量緩沖器用于存儲來自能源采集器的有效間歇性能量。之后，使用所存儲的能量為系統(tǒng)供電。即使可用能源存在不連續(xù)的情況下，這種架構也可讓總系統(tǒng)持續(xù)工作。常用能量緩沖器包括各種化學物質的可重復充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進行監(jiān)控，確保該電壓在由欠電壓 (UV) 和過電壓 (OV) 閾值確定的安全工作區(qū)域內。其次，它對能量緩沖器的容量進行監(jiān)控，并為有效工作所需能量可用情況相關的負載提供指示。利用一些簡單的技術，例如：能量緩沖器電壓監(jiān)控或者使用電量計方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進行測量，便可完成對電量的測量。當使用簡單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時，我們可以實現一種被稱作電力良好水平的用戶可編程中間電壓電平。

電池管理部分的設計考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復充電電池時，OV 和 UV 閾值基于電池的化學物質組成。使用超級電容器時，OV 和 UV 閾值由 IC 和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設置，可以最大化系統(tǒng)的壽命。電池管理部分的另一個設計考慮因素是電池管理部分消耗的靜態(tài)電流。電池管理模塊電路包括基準、比較器和數字邏輯等基礎模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因為，電池管理部分使用的任何能量都會使電池漏電，并且這種能量并未提供給外部負載。

冷啟動
冷啟動單元是一種備選模塊，在典型能源采集 PMIC 中可有可無。冷啟動單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時幫助系統(tǒng)啟動。具體冷啟動單元設計取決于不同的應用。就太陽能應用而言，我們可以使用一個輸入驅動型（相對于電池供電型）振蕩器來驅動暫時低效的開關式轉換器的開關[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開關式轉換器便可接管。就熱電發(fā)電機而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓撲或者利用系統(tǒng)的機械運動，來實現冷啟動單元[2,3]。這種模塊的設計考慮因素為最小啟動電壓、啟動功率、峰值浪涌電流和啟動所需時間。

穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器的功能是對電池電壓進行調節(jié)，以提供穩(wěn)定的電壓。這種模塊的拓撲取決于電池、系統(tǒng)負載要求和靜態(tài)電流。

總結
本文中，我們討論了適用于 DC 能源采集應用的電源管理 IC 設計或者選擇過程中需要考慮的一些重要因素，包括每個 IC 基礎模塊的設計考慮因素等。能源采集 PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在單塊 IC 上。PMIC 選擇取決于能源采集源、能量緩沖器和系統(tǒng)負載。