適用于能量采集應(yīng)用的電源管理架構(gòu)

根據(jù)圖 3 所示曲線圖，可以很清楚地知道，需要一個(gè)接口電路來獲得最大有效功率。最大功率提取電路動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)功率轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進(jìn)行太陽能采集時(shí)，利用開路電壓固定部分輸入電壓調(diào)節(jié)、短路電流固定部分輸入電流調(diào)節(jié)等簡單技術(shù)，或者使用一些基于微處理器的復(fù)雜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(jī)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(shù)包括動(dòng)態(tài)改變 DC/DC 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，然后在 50% 開路電壓對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。在所有這些轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇，是在設(shè)計(jì)復(fù)雜度、組件數(shù)目和效率之間進(jìn)行權(quán)衡的一個(gè)過程。開關(guān)式轉(zhuǎn)換器一般擁有比線性穩(wěn)壓器更好的效率，但代價(jià)是組件數(shù)目更多、設(shè)計(jì)更復(fù)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(gòu)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(xué)物質(zhì)的可重復(fù)充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個(gè)主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進(jìn)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(nèi)。其次，它對能量緩沖器的容量進(jìn)行監(jiān)控，并為有效工作所需能量可用情況相關(guān)的負(fù)載提供指示。利用一些簡單的技術(shù)，例如：能量緩沖器電壓監(jiān)控或者使用電量計(jì)方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進(jìn)行測量，便可完成對電量的測量。當(dāng)使用簡單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時(shí)，我們可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復(fù)充電電池時(shí)，OV 和 UV 閾值基于電池的化學(xué)物質(zhì)組成。使用超級電容器時(shí)，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(shè)置，可以最大化系統(tǒng)的壽命。電池管理部分的另一個(gè)設(shè)計(jì)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(zhǔn)、比較器和數(shù)字邏輯等基礎(chǔ)模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因?yàn)?，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(fù)載。

冷啟動(dòng)
冷啟動(dòng)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(dòng)單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時(shí)幫助系統(tǒng)啟動(dòng)。具體冷啟動(dòng)單元設(shè)計(jì)取決于不同的應(yīng)用。就太陽能應(yīng)用而言，我們可以使用一個(gè)輸入驅(qū)動(dòng)型（相對于電池供電型）振蕩器來驅(qū)動(dòng)暫時(shí)低效的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開關(guān)式轉(zhuǎn)換器便可接管。就熱電發(fā)電機(jī)而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓?fù)浠蛘呃孟到y(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)單元[2,3]。這種模塊的設(shè)計(jì)考慮因素為最小啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)功率、峰值浪涌電流和啟動(dòng)所需時(shí)間。

穩(wěn)壓器
穩(wěn)壓器的功能是對電池電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以提供穩(wěn)定的電壓。這種模塊的拓?fù)淙Q于電池、系統(tǒng)負(fù)載要求和靜態(tài)電流。

總結(jié)
本文中，我們討論了適用于 DC 能源采集應(yīng)用的電源管理 IC 設(shè)計(jì)或者選擇過程中需要考慮的一些重要因素，包括每個(gè) IC 基礎(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)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(fù)載。