能量采集系統(tǒng)的電源管理選擇策略

　　在過(guò)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(jìn)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(dāng)大的進(jìn)步，但適合能量採(cǎi)集應(yīng)用的PMIC最近幾年才開始投入市場(chǎng)。本文首先簡(jiǎn)要介紹一些可用的環(huán)境能源，然后詳細(xì)討論為這些能源選擇PMIC時(shí)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(shí)間緩慢變化的能源採(cǎi)集能量，例如，分別使用太陽(yáng)能電池板和熱電式發(fā)電機(jī)的光強(qiáng)度和熱梯度，這些採(cǎi)集器的輸出電壓不必再進(jìn)行整流。

　　AC採(cǎi)集器主要使用壓電材料、電磁產(chǎn)生器和整流天線，從振動(dòng)和射頻能源採(cǎi)集能量。這些能量採(cǎi)集器的輸出，在用來(lái)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(cǎi)集器，因?yàn)榕cAC採(cǎi)集器相較，使用這些DC能源的能量採(cǎi)集器更容易大量實(shí)現(xiàn)。

　　圖1顯示能量採(cǎi)集系統(tǒng)的常見(jiàn)架構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由環(huán)境能源、能量緩衝器（超級(jí)電容器/電池）、PMIC和系統(tǒng)負(fù)載組成。由于來(lái)自能源的可用能量取決于隨時(shí)間變化的環(huán)境條件，因此這些能量要在可用時(shí)被擷取出來(lái)，并儲(chǔ)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(fù)載從能量緩衝器供電。這樣即使沒(méi)有可用的環(huán)境能量，整個(gè)系統(tǒng)也能運(yùn)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(cǎi)集器的最佳介面）、電池管理電路、輸出穩(wěn)壓器和冷開機(jī)單元組成。以下討論每個(gè)模組的功能和設(shè)計(jì)考慮要素?！　〕潆娖?/p>

　　充電器的功能是從太陽(yáng)能電池板，或熱電式發(fā)電機(jī)（TEG）獲取最大可用的能量，然后將這些能量傳送到儲(chǔ)存單元。針對(duì)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(fù)雜性。普通充電器拓?fù)浒ň€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(duì)于太陽(yáng)能電池板來(lái)說(shuō)，拓?fù)渲饕Q于太陽(yáng)能電池板堆疊的輸出電壓。一般而言，單節(jié)電池太陽(yáng)能電池板的輸出電壓是0.5V。因此，對(duì)于具有單節(jié)電池和兩節(jié)電池太陽(yáng)能電池板的系統(tǒng)，要求採(cǎi)用升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)殡姵仉妷簩?duì)于NiMH通常要大1.2V，對(duì)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(duì)于TEG而言，輸出電壓範(fàn)圍從10mV至500mV。因此，升壓轉(zhuǎn)換器是首選拓墣。可以將許多TEG串列堆疊起來(lái)，獲得更高的電壓，以便使用LDO或降壓穩(wěn)壓器。不過(guò)，這種方案的缺點(diǎn)是具有較大的TEG堆疊串聯(lián)阻抗。

　　為了從太陽(yáng)能電池板或熱電式發(fā)電機(jī)擷取最大的能量，電池板或TEG必須工作在最大功率點(diǎn)。為了理解能量採(cǎi)集器工作在最大功率點(diǎn)的需求，可以分別考慮如圖2a和圖2b所示的太陽(yáng)能電池板和TEG模型。

　　圖2：a）太陽(yáng)能電池板模型，b）熱電式發(fā)電機(jī)模型。

　　太陽(yáng)能電池板可以建模成一個(gè)提供電流的反向偏置二極體并聯(lián)一個(gè)寄生電容器（CHRV）；二極體的電流輸出正比于光強(qiáng)度。TEG模型由一個(gè)電壓源串聯(lián)一個(gè)電阻組成；電阻型號(hào)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(yáng)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(duì)太陽(yáng)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(duì)于TEG而言，可以在OCV的50%處獲得最大功率點(diǎn)。

　　圖3：太陽(yáng)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(jī)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(gè)介面電路來(lái)擷取可用的最大功率。最大功率擷取電路，透過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整電源轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗來(lái)取最大功率。對(duì)太陽(yáng)能收集來(lái)說(shuō)，最大功率擷取是使用簡(jiǎn)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(fù)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(jī)擷取最大功率，包括動(dòng)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?fù)涞倪x擇是在設(shè)計(jì)復(fù)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(jià)是增加了元件數(shù)量、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和電壓板空間?！　‰姵毓芾黼娐?/p>

　　在能量採(cǎi)集系統(tǒng)中，能量緩衝器用于儲(chǔ)存從能量採(cǎi)集器獲得的間歇能量。然后再用這種儲(chǔ)存的能量為系統(tǒng)供電。這種架構(gòu)允許整個(gè)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(cǎi)用不同化學(xué)物質(zhì)的可充電電池以及超級(jí)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(gè)電壓在由欠壓（UV）和過(guò)壓（OV）閾值確定的安全工作範(fàn)圍內(nèi)；其次，它能監(jiān)視能量緩衝器的容量，并向負(fù)載指示執(zhí)行有用工作的可用能量。

　　容量測(cè)量可以用簡(jiǎn)單技術(shù)完成，例如監(jiān)測(cè)能量緩衝器上的電壓，或使用燃料測(cè)定技術(shù)，這種技術(shù)可測(cè)量電池輸出和吸收的電壓與電流。在使用簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)被稱為電能良好等級(jí)的使用者可程式設(shè)計(jì)中間電壓值。

　　電池管理部份的設(shè)計(jì)