能量采集系統(tǒng)的電源管理選擇策略

　　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)取得了相當大的進步，但適合能量採集應用的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，然后詳細討論為這些能源選擇PMIC時需要考慮的因素。

　　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)電機的光強度和熱梯度，這些採集器的輸出電壓不必再進行整流。

　　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，因為與AC採集器相較，使用這些DC能源的能量採集器更容易大量實現(xiàn)。

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

　　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，整個系統(tǒng)也能運作。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)壓器和冷開機單元組成。以下討論每個模組的功能和設計考慮要素。　　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（TEG）獲取最大可用的能量，然后將這些能量傳送到儲存單元。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)路和復雜性。普通充電器拓撲包括線性降壓（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，拓撲主要取決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)換器拓撲，因為電池電壓對于NiMH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，輸出電壓範圍從10mV至500mV。因此，升壓轉(zhuǎn)換器是首選拓墣?？梢詫⒃S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)電機擷取最大的能量，電池板或TEG必須工作在最大功率點。為了理解能量採集器工作在最大功率點的需求，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)電機模型。

　　太陽能電池板可以建模成一個提供電流的反向偏置二極體并聯(lián)一個寄生電容器（CHRV）；二極體的電流輸出正比于光強度。TEG模型由一個電壓源串聯(lián)一個電阻組成；電阻型號和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。

　　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)電機擷取最大功率，包括動態(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)換器拓撲的選擇是在設計復雜性、元件數(shù)量和效率之間的折衷。開關(guān)轉(zhuǎn)換器通?？梢蕴峁┍染€性穩(wěn)壓器更高的效率，但代價是增加了元件數(shù)量、設計復雜性和電壓板空間?！　‰姵毓芾黼娐?/p>

　　在能量採集系統(tǒng)中，能量緩衝器用于儲存從能量採集器獲得的間歇能量。然后再用這種儲存的能量為系統(tǒng)供電。這種架構(gòu)允許整個系統(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，採用不同化學物質(zhì)的可充電電池以及超級電容器。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，并確保這個電壓在由欠壓（UV）和過壓（OV）閾值確定的安全工作範圍內(nèi)；其次，它能監(jiān)視能量緩衝器的容量，并向負載指示執(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，可以實現(xiàn)被稱為電能良好等級的使用者可程式設計中間電壓值。

　　電池管理部份的設計