能量采集時代：物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備需能自我供電

預計到2020年，全球?qū)碛?00億到3000億臺物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，它們中的大部分屬于由新型微控制器、無線和傳感器技術(shù)支撐的小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。由于沒有用于數(shù)據(jù)和電源的線纜，這些物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備必需能自我供電。但如果每隔六個月或一年，你就得幫這些設(shè)備更換電池，那就有點悲催了。

能量其實無處不在，能量收集和儲存技術(shù)其實也并不是很新。但隨著物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，越來越多的公司有興趣和動力去開發(fā)更有效的能量收集芯片、系統(tǒng)和可充電電池，以便能夠在整個產(chǎn)品生命周期中持續(xù)使用。但對這些公司來說，最大的挑戰(zhàn)就是找到如何自行收集/儲存能量的方法以便持續(xù)使用，以及如何將這樣的超低功耗芯片安裝在小型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中。

TI微能量采集開啟無電池工作時代

德州儀器(TI)電池管理市場及應用經(jīng)理文司華認為，從光、熱量、振動、射頻RF上獲取能量面臨的一個重大挑戰(zhàn)在于，一般的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如用在手持設(shè)備上的單節(jié)鋰電池，輸入電流基本在1A左右，很少做到50mA以下;輸入電壓在1.8 V以下也比較少，一般都是3 V或2.5 V以上。而太陽能(10-10000μW/cm2)、熱量(25-1000μW/cm2)、振動(50-250μW/cm2)、 RF(0.01-0.1μW/cm2)的能量采集，它們所提供的電壓非常少，可能少于1 V，電流也是毫安級或微安級。因此，能量采集技術(shù)的核心是能夠通過更先進的拓撲結(jié)構(gòu)和芯片設(shè)計，把這些輸入微電源收集起來。

其次，從芯片自身來看，如何獲得更小的靜態(tài)電流也非常關(guān)鍵。目前，DC/DC轉(zhuǎn)換時1-10mA，待機時幾十個μA到100μA，關(guān)機時1-2個μA的自功耗都屬于相當不錯的指標。但對能量采集來說這是遠遠不夠的：因為采集到的電流一共才2μA，自身就消耗1μA，相當于只有50%的能效。即便解決了這個難題，實際上還不能直接給終端產(chǎn)品，例如無線電廣播、ZigBee、藍牙、MCU供電，因為至少需要幾十或上百微安級的功耗才能實現(xiàn)驅(qū)動，所以還需要存儲元件(鋰離子電池、薄膜電池或超級電容)的配合，以實現(xiàn)更低的占空比。

TI此次推出的五款最新一代電源管理集成電路(bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737和 TPS62736)產(chǎn)品，主要針對低數(shù)據(jù)速率、低占空比的超低功耗設(shè)計(微瓦至毫瓦級電源)，包括智能家居、可穿戴設(shè)備、搖控器、植入式醫(yī)療設(shè)備、石油鉆井平臺和管道等難以觸及的設(shè)備、以及需要大量無線傳感器供電的環(huán)境感知應用。

以 TI集成降壓轉(zhuǎn)換器的最新bq25570升壓充電器為例，其靜態(tài)功耗僅為488毫微安(nA)，而且可在輸出電流低于10微安(μA)的情況下實現(xiàn)超過 90%的效率。bq25570不僅支持最大功率點跟蹤(MPPT)，可從光伏電池和熱電發(fā)生器提取和管理電源，還支持任何能源存儲元件，例如可充電式鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或常規(guī)電容器等。在長期存儲期間，bq25570 供電可通過“運送模式(ship mode)”特性禁用，使其流耗不足5nA。

bq25505 升壓充電器與 bq25570 類似，但可實現(xiàn)低至325nA的工作靜態(tài)電流。bq25505采用自動功率多路復用器柵極驅(qū)動器，可通過能量采集電源與原電池實現(xiàn)無縫系統(tǒng)工作，在能量采集器不提供電能時，也能提供恒定電源，從而滿足系統(tǒng)工作需要。

除了電池管理電路外，TI還針對300mA輸出電流設(shè)計方案推出了降壓轉(zhuǎn)換器TPS62740，其可在主動工作狀態(tài)下支持360nA的靜態(tài)電流，而待機狀態(tài)下靜態(tài)電流則為70nA。這款轉(zhuǎn)換器可在低至10uA的電流下實現(xiàn)超過90%的效率，以及31mm2的總體解決方案尺寸，支持可編程輸出電壓特性與 DCS-Control功能。對于更低電流設(shè)計而言，TI針對200mA設(shè)計方案的最新TPS62737轉(zhuǎn)換器以及針對50mA設(shè)計方案的 TPS62736 可在主動工作期間實現(xiàn) 370nA的超低靜態(tài)電流，在睡眠模式下實現(xiàn)15nA的靜態(tài)電流，而在輸出電流不足15μA的情況下也可實現(xiàn)90%的效率。