SPV1050：意法半導(dǎo)體新超低功耗高能效能量回收及充電器

摘要

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(jì)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(huì)損壞電池或縮短電池續(xù)航時(shí)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(yáng)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(gè)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(guò)提升系統(tǒng)集成度和可靠性，同時(shí)大幅降低系統(tǒng)組件總體成本，SPV1050表現(xiàn)出了基于無(wú)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(dòng)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(chǎng)大多數(shù)熱電發(fā)生器(低壓高電流)和太陽(yáng)能電池板(高壓低電流)，為使輸入級(jí)阻抗與換能器輸出阻抗匹配，還實(shí)現(xiàn)了一個(gè)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(shí)更新最大功率點(diǎn)(MPP)，其工作原理是通常每16秒對(duì)輸入電壓進(jìn)行一次采樣和記錄，然后將采樣暫存在一個(gè)外部電容器內(nèi)，因此，可以定期更新內(nèi)部MOSFET的開(kāi)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(shí)也是如此。開(kāi)始時(shí)，通過(guò)一個(gè)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(guò)量，內(nèi)部高精度邏輯模塊通過(guò)一個(gè)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(jí)電容電池、薄膜固態(tài)電池、鎳氫電池)。同時(shí)，根據(jù)所用電池的技術(shù)和拓?fù)?，欠壓閾值可設(shè)在2.2V到3.6V之間，這兩個(gè)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(gè)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(gè)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(kāi)啟，只有當(dāng)電池電壓在Vuvp+5%和Veoc之間時(shí)，穩(wěn)壓器才會(huì)向負(fù)載釋放電能。因此，任何負(fù)載都不會(huì)受到電池電量不穩(wěn)或低電的影響。此外，兩個(gè)低電平有效數(shù)字輸出向主控制器報(bào)告電池是否在充電(BATT_CHG)和邏輯電平傳輸晶體管(pass-transistor)開(kāi)關(guān)是否閉合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN  5x520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(gè)系統(tǒng)的安全，SPV1050內(nèi)部控制邏輯電路驅(qū)動(dòng)STORE和BATT兩個(gè)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(zhǎng)“上架時(shí)間”，防止“啟動(dòng)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(huì)停止開(kāi)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(huì)重新開(kāi)始工作。同樣，為避免過(guò)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(huì)關(guān)斷。通過(guò)在STORE、UVP和EOC引腳之間分配電阻，設(shè)置VUVP和VEOC兩個(gè)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(gè)內(nèi)置兩個(gè)LDO穩(wěn)壓器的電源管理器，通過(guò)相關(guān)輸出引腳提供1.8V和3.3V穩(wěn)壓電源，根據(jù)每個(gè)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(lái)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(shuō)，STORE和BATT引腳之間的邏輯電平傳輸開(kāi)關(guān)必須閉合?？蛇x擇開(kāi)啟每個(gè)LDO穩(wěn)壓器，或者向相關(guān)使能引腳饋入高電平有效信號(hào)來(lái)關(guān)閉每個(gè)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(qǐng)?jiān)L問(wèn)意法半導(dǎo)體網(wǎng)站上的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)。

SPV1050的設(shè)計(jì)工具-評(píng)估板和參考設(shè)計(jì)

SPV1050評(píng)估板

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

STEVAL-ISV019V1(圖4)評(píng)估板讓用戶能夠使用SPV1050的全部功能，快速建立一個(gè)評(píng)估平臺(tái)，在一個(gè)實(shí)體設(shè)備上測(cè)試這款器件的性能。評(píng)估板包括正常運(yùn)行所需全部無(wú)源器件，提供多個(gè)芯片電壓監(jiān)視測(cè)量點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了升壓配置，讓應(yīng)用設(shè)計(jì)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(píng)估板是一個(gè)典型的采集太陽(yáng)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(dòng)應(yīng)用組件，設(shè)計(jì)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(jiàn)應(yīng)用筆記AN4394。

圖4：STEVAL-ISV019V1

當(dāng)芯片配置成降壓模式時(shí)，STEVAL-ISV020V1(圖5)評(píng)估板可以讓開(kāi)發(fā)人員訪問(wèn)SPV1050的全部功能，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，評(píng)估板可以采集太陽(yáng)能板的電能(2.6  V ≤ VMPP ≤ 9 V, 10 μA ≤ IMPP ≤20 mA)給電池充電(3.7 V UVP閾壓和4.2 V  EOC閾壓)。只要修改應(yīng)用組件，用戶即可將任何電源(PV, TEG, USB等電源)與電池匹配，詳情見(jiàn)AN4397應(yīng)用筆記。

圖5-STEVAL-ISV020V1

SPV1050演示板

STEVAL-ISV021V1  (圖6)是一整套演示工具，包括一個(gè)基于SPV1050的能量回收模塊。通過(guò)使用一個(gè)功能互補(bǔ)的功率監(jiān)視板，該演示板變成一個(gè)功能強(qiáng)大的立即可用的演示工具，能夠顯示能量回收器的電氣性能，例如MPPT的精確度、轉(zhuǎn)換能效、輸入和輸出功率、電源和電池的電壓和電流。為使用選光伏板給電池充電，該芯片可配置成降壓-升壓轉(zhuǎn)換器。

功率監(jiān)視板配合軟件圖形用戶界面(GUI)，能夠監(jiān)視換能器電氣特性和實(shí)際/理論最大功率點(diǎn)?？傊?，STEVAL-ISV021V1套件是一個(gè)獨(dú)立的能量回收模塊，能夠回收電能，給電池充電，可連接為其提供熱能或太陽(yáng)能的目標(biāo)應(yīng)用板。此外，能量回收模塊內(nèi)置一個(gè)擴(kuò)展連接器，可連接微控制器外接板，用于收集并監(jiān)視額外的SPV1050輸入輸出信號(hào)。詳情見(jiàn)AN4394應(yīng)用筆記。

圖6-STEVAL-ISV021V1

SPV1050參考設(shè)計(jì)套件

STEVAL-IDS002V1(圖7)是一整套完全可配置的參考設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光伏模塊驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。這套設(shè)計(jì)是一個(gè)SPV1050驅(qū)動(dòng)的全集成的多傳感器板，板載意法半導(dǎo)體的全套傳感器：溫度傳感器、氣壓傳感器和3軸加速度計(jì)。除意法半導(dǎo)體的傳感器外，還集成STM32微控制器和Spirit1  RF Sub-Giga發(fā)送器。這套參考設(shè)計(jì)還包括一個(gè)基于USB口的Spirit接收器。

圖7-STEVAL-IDS002V1

作為參考設(shè)計(jì)的組件，功率監(jiān)視板(圖8)讓用戶能夠評(píng)估能量回收部分的電氣性能，例如，MPPT精度、轉(zhuǎn)換效率、輸入輸出功率、電源和電池端的電壓電流。該參考設(shè)計(jì)可過(guò)與PC機(jī)無(wú)線通信，讓用戶能夠查看所有傳感器的數(shù)據(jù)。實(shí)際上，這套參考設(shè)計(jì)支持STEVALISV021V1的完整版圖形用戶界面軟件，能夠顯示多傳感器板以預(yù)設(shè)速率傳送的數(shù)據(jù)。發(fā)送部分基于STM32L151低功耗32位微控制器，用于設(shè)置傳感器配置和數(shù)據(jù)通信周期。數(shù)字溫度傳感器STTS751、壓力傳感器LPS331AP和3軸加速度計(jì)LIS3DH通過(guò)I2C總線連接微控制器。詳情見(jiàn)AN4395應(yīng)用筆記。

圖8-STEVAL-IDS002V1和功率監(jiān)視板

SPV1050評(píng)估軟件和圖形用戶界面

STEVAL-ISV021V1和STEVAL-IDS002V1支持一個(gè)非常好用的軟件圖形用戶界面，評(píng)估軟件可從意法半導(dǎo)體官網(wǎng)www.st.com下載。在這個(gè)圖形用戶界面上有四個(gè)不同的命令按鈕。

“Configuration”按鈕(圖9)用于配置某些參數(shù)，例如，采樣速率、數(shù)據(jù)傳輸速率、主動(dòng)傳感器和發(fā)射功率。點(diǎn)擊相關(guān)命令按鈕，通過(guò)USB接口，可將配置參數(shù)保存到微控制器的程序存儲(chǔ)器內(nèi)。

圖9 – “Configuration”按鈕

“Data  Visualization”按鈕(圖10)提供所有主動(dòng)傳感器的讀數(shù)，STEVAL-IDS002V1板載發(fā)送器負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)，連接PC機(jī)的Spirit1接收板負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。該應(yīng)用還能顯示嵌入式LDO2穩(wěn)壓器的輸出電壓和射頻發(fā)射功率，穩(wěn)壓器給多傳感器板上的所有組件供電：微控制器、傳感器、發(fā)送器電路。

圖10 - “Data Visualization”按鈕

“Power  Visualization”按鈕(圖11)顯示電源和電池的電壓電流信息。最后，“Efficiency”按鈕(圖12)顯示換能器電氣特性，以及電源和電池之間的功率預(yù)算、MPPT精度、轉(zhuǎn)換能效、光線輻射級(jí)(光照度)和太陽(yáng)能板的Voc電壓。

詳見(jiàn)軟件用戶手冊(cè)UM1752。

圖11 – “Power Visualization”按鈕

圖12 – “能效”按鈕

結(jié)論

SPV1050單片集成能效極高的能量回收及充電器和給所有周邊配套芯片供電的電源管理器，降壓-升壓結(jié)構(gòu)使其具有極高的應(yīng)用靈活性，適用于多種不同的輸入電源，節(jié)省印刷電路板空間，減少外部組件數(shù)量，提高最終應(yīng)用的可靠性和緊湊性，降低系統(tǒng)總體成本，是多種不同的應(yīng)用的最佳選擇，例如，穿戴式裝置、健身器材、樓宇和家庭自動(dòng)化、智能照明、門禁、手機(jī)配件等。

參考文獻(xiàn)

[1] STPV1050 Datasheet: “Ultralow power energy harvesterand battery charger”  – August 2015.  http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM00100984.pdf.

[2] AN4394 Application Note: Evaluation board for SPV1050ULP harvester (boost  architecture) – May2014.

[3] AN4397 Application Note: Evaluation board for SPV1050ULP harvester  (buck-boost architecture) – May2014.