適用于能量采集應(yīng)用的電源管理架構(gòu)

過去幾年，各大公司都做出了相當(dāng)大的努力，目標(biāo)是讓一些持續(xù)供電和無電池型系統(tǒng)能夠利用自然能工作。開發(fā)這種系統(tǒng)所需的關(guān)鍵集成電路 (IC) 是超低功耗微處理器、無線電器件和電源管理 IC。盡管我們?cè)诘凸奈⑻幚砥骱蜔o線電器件方面已經(jīng)取得了相當(dāng)大的進(jìn)步，但適用于能源采集應(yīng)用的一些電源管理 IC 只到最近才出現(xiàn)在市場上。本文將簡單介紹一些可用自然能源，之后將詳細(xì)討論為這些能源選擇 PMIC 時(shí)需要考慮的因素。

自然能電源廣義上可劃分為直流 (DC) 電源和交流 (AC) 電源。DC 電源包括采集自各種能源的采集能量，它們隨光照強(qiáng)度和熱梯度變化較慢，使用太陽能電池板和熱電發(fā)電機(jī)。這些采集器的輸出電壓不必經(jīng)過整流。AC 集成器包括使用壓電材料、電磁發(fā)電機(jī)和整流天線，采集自振動(dòng)和射頻功率的能量。在用于為某個(gè)系統(tǒng)供電以前，必須對(duì)這些能源采集器的輸出整流至某個(gè) DC 電壓。本文中，只有 DC 能源采集器被看作是利用這些能源的能量采集器，相比 AC 采集器，它更容易獲得高輸出。

圖 1 一般能源采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖 1 顯示了能源采集系統(tǒng)的一般架構(gòu)。該總系統(tǒng)由自然能電源、能量緩沖器（超級(jí)電容器/電池）、電源管理集成電路 (PMIC) 和系統(tǒng)負(fù)載組成。由于能源可用能量取決于隨時(shí)間變化的環(huán)境條件，因此獲取能源能量后存儲(chǔ)于能量緩沖器。系統(tǒng)負(fù)載通過能量緩沖器供電驅(qū)動(dòng)。這樣做可讓系統(tǒng)在沒有可用自然能的情況下仍然能夠正常工作。電源管理單元由一個(gè) DC/DC 功率轉(zhuǎn)換器（能源采集器接口經(jīng)過優(yōu)化）、電池管理電路、輸出穩(wěn)壓器和冷啟動(dòng)單元組成。接下來，我們將逐一討論這些模塊的功能和設(shè)計(jì)考慮因素。

充電器
充電器的功能是從太陽能電池板或者 TEG 獲取最大有效能量，然后將其傳輸至存儲(chǔ)組件。充電器的主要考慮因素包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、效率、最大功率提取網(wǎng)絡(luò)和復(fù)雜度。常見充電器拓?fù)浒ň€性壓降 (LDO) 穩(wěn)壓器、降壓轉(zhuǎn)換器、增壓轉(zhuǎn)換器和升降壓轉(zhuǎn)換器。

使用太陽能電池板時(shí)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要取決于太陽能電池板堆棧的輸出電壓。一般而言，單節(jié)電池太陽能板的輸出為 0.5V。因此，對(duì)于單節(jié)電池和兩節(jié)電池太陽能板的系統(tǒng)來說，要求使用一個(gè)增壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)殒嚉潆姵睾弯囯x子電池的電池電壓一般大于 1.2V 和 3V。更多串聯(lián)電池時(shí)，可以使用如二極管整流器、降壓穩(wěn)壓器或者LDO等其它轉(zhuǎn)換器。就熱電發(fā)電機(jī)而言，輸出電壓范圍為 10mV 到 500 mV。因此，使用熱電發(fā)電機(jī) (TEG) 時(shí)，我們主要選擇增壓轉(zhuǎn)換器。串聯(lián)堆疊許多TEG來獲得更高的電壓是可能的，這樣便可以使用 LDO 或者降壓穩(wěn)壓器。這種方案的缺點(diǎn)是存在較大的 TEG 堆棧串聯(lián)阻抗。

圖 2 (a-b)、太陽能電池板和熱電發(fā)電機(jī)模型

為了從太陽能電池板或者熱電發(fā)電機(jī)獲取最大功率，電池板或者 TEG 必須工作在其最大功率點(diǎn)。要理解能源采集器需在其最大功率點(diǎn)下工作的原因，請(qǐng)分別參見圖 2a 和圖 2b 所示太陽能電池板和 TEG 模型。可將太陽能電池板建模為一個(gè)反向偏置二極管，其提供寄生電容 (CHRV) 并聯(lián)電流。二極管的電流輸出與光照強(qiáng)度成比例關(guān)系。熱電發(fā)電機(jī)模型由一個(gè)與電阻器串聯(lián)的電壓源組成。電阻器模型和 TEG 內(nèi)部阻抗取決于材料屬性和 TEG 的體積。使用典型太陽能電池板和 TEG 時(shí)，圖 3 和圖 4 分別顯示了電流對(duì)電壓和功率對(duì)電壓情況。您可以看到，就太陽能電池板而言，在約 80% 開路電壓 (OCV) 時(shí)得到最大功率。類似地，就 TEG 而言，在50% OCV 時(shí)獲得最大功率點(diǎn)。