SPV1050：意法半導(dǎo)體新超低功耗高能效能量回收及充電器

　　今天的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是由數(shù)量龐大的安裝在人類極難接近地方的遠(yuǎn)程傳感單元組成，為保證業(yè)務(wù)不中斷，降低檢修成本，這些傳感單元必須智能管理能源，完全自主運(yùn)行。這些要求表明，能量回收及充電設(shè)計必須保證轉(zhuǎn)換能效極高，充電管理適當(dāng)，盡可能從環(huán)境提取更多的電能送到電池，以最快的速度貯存電能，而且不會損壞電池或縮短電池續(xù)航時間。

　　為滿足這些技術(shù)需求，意法半導(dǎo)體推出了一款微型封裝或裸片的超低功耗直流-直流轉(zhuǎn)換器芯片，該芯片可用于太陽能光伏(PV)板或熱電發(fā)生器(TEG)，基于從能源提取電能優(yōu)化技術(shù)的最大功率點(diǎn)追蹤算法(MPPT)，內(nèi)置一個能效極高的電源管理模塊，能夠給任何類型的電池快速充電，或?yàn)槲⒖刂破?、收發(fā)器、傳感器等周邊配套芯片提供電能;適用于室內(nèi)外工作條件和非常小的溫度梯度。通過提升系統(tǒng)集成度和可靠性，同時大幅降低系統(tǒng)組件總體成本，SPV1050表現(xiàn)出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的工業(yè)應(yīng)用的核心產(chǎn)品的全部重要特性，這些工業(yè)應(yīng)用包括工業(yè)生產(chǎn)控制、工廠自動化、環(huán)境和氣候/樓宇監(jiān)視、智能照明以及手機(jī)配件、便攜設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、健身穿戴裝置等消費(fèi)應(yīng)用。

　　圖1–SPV1050的目標(biāo)應(yīng)用

　　前言

　　SPV1050超低功耗高能效能量回收及充電器的最大輸出功率約400mW，基于全橋全嵌入式DC-DC轉(zhuǎn)換器，硬件可設(shè)為升壓或降壓轉(zhuǎn)換模式，輸入電壓范圍從75mV至18V，因此，適用于市場大多數(shù)熱電發(fā)生器(低壓高電流)和太陽能電池板(高壓低電流)，為使輸入級阻抗與換能器輸出阻抗匹配，還實(shí)現(xiàn)了一個高效的MPPT算法。

　　該功率點(diǎn)追蹤算法根據(jù)環(huán)境變化條件實(shí)時更新最大功率點(diǎn)(MPP)，其工作原理是通常每16秒對輸入電壓進(jìn)行一次采樣和記錄，然后將采樣暫存在一個外部電容器內(nèi)，因此，可以定期更新內(nèi)部MOSFET的開關(guān)占空比，以跟隨VMPP算法，即使是在輻照、度熱梯度條件極易變化時也是如此。開始時，通過一個外部電阻器的分壓器，根據(jù)電源參數(shù)和典型工作條件，用戶可以設(shè)置MPP功率點(diǎn)，如需要，還可以關(guān)閉MPPT算法。

　　為防止充放電過量，內(nèi)部高精度邏輯模塊通過一個外部電阻器分壓器監(jiān)視電池電壓，因?yàn)殡姵卣{(diào)整電壓可以設(shè)定在2.6 V到5.3V范圍內(nèi)，可滿足任何類型電池充電限制(液態(tài)鋰電池、聚合物鋰電池、超級電容電池、薄膜固態(tài)電池、鎳氫電池)。同時，根據(jù)所用電池的技術(shù)和拓?fù)洌穳洪撝悼稍O(shè)在2.2V到3.6V之間，這兩個閾壓值均可精確設(shè)定，精度為±1%。

　　圖2–SPV1050架構(gòu)

　　SPV1050內(nèi)置兩個完全獨(dú)立的低功耗LDO穩(wěn)壓器，輸出電壓分別為1.8V和3.3V。每個穩(wěn)壓器能夠?yàn)樨?fù)載提供最高200mA的電流，保證±0.5%的最大壓降。一旦開啟，只有當(dāng)電池電壓在Vuvp +5%和Veoc之間時，穩(wěn)壓器才會向負(fù)載釋放電能。因此，任何負(fù)載都不會受到電池電量不穩(wěn)或低電的影響。此外，兩個低電平有效數(shù)字輸出向主控制器報告電池是否在充電 (BATT_CHG)和邏輯電平傳輸晶體管(pass-transistor)開關(guān)是否閉合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN 5x5 20引腳封裝和裸片兩款產(chǎn)品，圖2是框圖。

　　SPV1050的工作原理

　　充電器

　　為保證電池的續(xù)航能力和整個系統(tǒng)的安全，SPV1050內(nèi)部控制邏輯電路驅(qū)動STORE和 BATT兩個引腳之間的邏輯電平傳輸晶體管，這樣電池電壓始終保持在欠壓保護(hù) (UVP)閾值和充電結(jié)束(EOC)閾值之間。在充電器第一次導(dǎo)通前，邏輯電平傳輸晶體管關(guān)斷。在這種情況下，電池流出的電流只是技術(shù)性泄漏電流，電流值低于1nA。極低的電流消耗可延長“上架時間”，防止“啟動前”電池放電。只要STORE引腳電壓上升，則邏輯電平傳輸晶體管導(dǎo)通，EOC引腳上電壓閾值被激活，只要電池充滿電量，DC-DC轉(zhuǎn)換器將會停止開關(guān)操作，直到VSTORE>VEOC-EOCHYS為止，一旦電壓低于差值，轉(zhuǎn)換器就會重新開始工作。同樣，為避免過度放電，如果STORE引腳電壓低于VUVP閾壓，邏輯電平傳輸晶體管將會關(guān)斷。通過在STORE、UVP和EOC引腳之間分配電阻，設(shè)置VUVP和VEOC兩個閾壓，即可實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能。

　　下圖描述了在電池充電電壓、輸入電壓不同的典型用例中，在環(huán)境溫度下，直流-直流轉(zhuǎn)換器升壓模式的轉(zhuǎn)換效率。

　　圖3：SPV1050轉(zhuǎn)換能效(升壓模式)

　　電源管理器

　　實(shí)際上，SPV1050還是一個內(nèi)置兩個LDO穩(wěn)壓器的電源管理器，通過相關(guān)輸出引腳提供1.8V 和3.3V穩(wěn)壓電源，根據(jù)每個穩(wěn)壓器向負(fù)載釋放的電能功率，LDO穩(wěn)壓電源的電能可能來自能量回收電源或蓄電池。但是，若想要LDO提供任何大小的電流，需要連接電池，這就是說， STORE和BATT引腳之間的邏輯電平傳輸開關(guān)必須閉合?？蛇x擇開啟每個LDO穩(wěn)壓器，或者向相關(guān)使能引腳饋入高電平有效信號來關(guān)閉每個LDO穩(wěn)壓器。

　　若想詳細(xì)了解SPV1050的工作原理和應(yīng)用設(shè)置，請?jiān)L問意法半導(dǎo)體網(wǎng)站上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。

　　SPV1050的設(shè)計工具-評估板和參考設(shè)計

　　SPV1050評估板

　　SPV1050配有全套的評估板、演示板和參考設(shè)計工具，我們向初次接觸這款產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計人員強(qiáng)烈推薦評估板。

　　STEVAL-ISV019V1(圖4)評估板讓用戶能夠使用SPV1050的全部功能，快速建立一個評估平臺，在一個實(shí)體設(shè)備上測試這款器件的性能。評估板包括正常運(yùn)行所需全部無源器件，提供多個芯片電壓監(jiān)視測量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了升壓配置，讓應(yīng)用設(shè)計人員能夠快速發(fā)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)配置，優(yōu)化SPV1050的工作點(diǎn)和能效，板載連接能量回收電源和電池的接口。該評估板是一個典型的采集太陽能并轉(zhuǎn)換成電能(0.5 V ≤VMPP ≤ 2.5 V, 30 μA ≤ IMPP ≤ 20 mA)充入電池(3.7 V欠壓保護(hù)閾壓(UVP)和4.2 VEOC閾壓)的用例。只略加改動應(yīng)用組件，設(shè)計人員即可將任何類型輸入電源(PV, TEG, USB等)與電池匹配，詳情參見應(yīng)用筆記AN4394。

　　圖4：STEVAL-ISV019V1