使用先进的能量收集器集成电路从环境源收集纳瓦到毫瓦

在能量收集的背景下，先进的电源管理集成电路 （PMIC） 的功能类似于公用事业公司，因为它控制环境电源向下游电子设备的输送。根据五个重要标准正确选择 PMIC 可以让系统设计人员增加系统电池或创建自供电系统。

能量收集器是一种电源。它通过吸收存在于环境源中的能量，然后将吸收的能量呈现在其输出端，以供下游电子设备使用。收集器的一些常见示例是表现出光伏效应（太阳能电池）和热电效应（热电发电机）的硅器件。前者通过转换入射光能产生电压来充当电源；后者将温差（热能）转换为电压。

在这两种情况下，当电源连接到电气负载时，电流就会流动，因此电力会从环境电源传输到运行中的设备。太阳能电池和热发电机 （TEG） 可以比作电池。两者都没有移动部件，并且可以为运行电子设备提供电力。然而，一些收割机，如拥有 1000 年历史的风车或其现代版本——风力涡轮机——确实有活动部件。其他基于压电或电磁效应的也有运动部件。压电采集器是一种采集运动的硅基设备。它们将动能转化为电能。

虽然收集器是能量收集难题的重要组成部分，但在大多数情况下，它不能单独运行。另一块硅片，即功率调节 IC，至关重要。这种功率调节 IC 也称为能量收集 PMIC，是收集器本身与下游电子设备之间的关键链接。PMIC 的功能类似于看门人或公用事业公司，因为它控制向用户输送环境电力。

能量收集 PMIC

与只能在有限时间内提供电力的电池不同，收割机可以提供永恒的电力——或者至少可以提供很长一段时间，可以衡量几年甚至几十年。许多收割机的一个缺点是它们是一种非常弱或低能量的来源。弱能源将无法满足当今高耗电应用的需求。一些收集器间歇性地提供能量（大多数太阳能电池不会在低光照条件下运行，例如在黑暗中）。PMIC 的作用是接收微弱的间歇性能量，并将这种能量调节并转化为可用的形式。

一个有效的能量收集 IC 应该能够执行以下重要功能：

为收割机提供必要的电气接口，以确保在给定环境条件下实现最大功率传输。

在条件良好时接收收割机输出的能量，并将此能量存储在存储设备中以备后用。

管理（控制）向电气负载（通常是下游电子设备）的电力传输，同时确保来自负载的高能量需求不会使系统面临突然断电和导致系统故障的风险。

能够仅使用较弱的采集器源来管理自己的启动，以防系统的其余部分因存储设备断电而死机。

使用非常少的能量来保持自身运行，换句话说，最大限度地从采集器源到存储元件的能量传输。当源非常弱时，这一点尤其重要。

现在让我们回顾一下这五个功能中每个功能的重要方面。

最大功率点跟踪

太阳能电池和 TEG 等收集器的激发源（分别为光和温度）与其产生的功率之间存在复杂的关系。对于任何给定的外部条件，它们都有一个产生最大功率的工作点。能量收集 PMIC 的工作是“呈现”和“跟踪”收集器的负载电阻，迫使其根据环境条件在最大功率点区域运行。随着环境条件的变化（例如变得更亮或更暗），具有最大功率点跟踪 （MPPT） 功能的能量收集 PMIC 将能够进行调整，以便在所有条件下都获得最大功率。

有几种策略可以创建有效的 MPPT 方案。由于其简单性和相对较高的精度，最常用的是开路电压方案 （VOC）。在这种方法中，采集器的输出电压被调节到一个固定值，该值是周期性测量的“开路电压”（在零负载电流条件下）的经验得出的比率。例如，大多数太阳能电池可以调节到其 VOC 的 75% 到 80% 以在其最大功率点区域运行。

在我们使用bq25570能量收集 PMIC 的示例中，可以使用外部电阻网络轻松实现 MPPT（图 1）。

储能管理

能量收集 PMIC 起着从收集器接收能量并将其存储在存储元件中以供以后按需使用的关键作用。大多数能量收集 PMIC 与各种存储元件配合使用，例如传统电容器、超级电容器、锂离子 （Li-Ion） 可充电电池和薄膜电池。

由于大多数存储元件都有充电上限和放电下限，因此准确管理这些和其他相关参数在能量收集系统中非常关键。诸如指示电池电量（或存储元件）是“好”或“不好”的特征对于设计灵活的系统很重要。许多能量收集 PMIC 提供上述功能，为系统设计人员提供了设置外部电阻器的灵活性，以管理存储元件的充电和放电水平以及“电池良好”水平设置（图 2）。

管理向电气负载的电力传输

为了系统的安全运行，存储元件的“健康”用于确定何时可以施加或应该移除负载。通常，能量收集 PMIC 将监控存储元件上的电压，以提供存储元件是否良好的指示（信号）。

只要电压不低于预定值，就可以施加负载并允许消耗功率。如果存储元件的电压低于该预定值，PMIC 可以向微处理器提供信号并采取一些预防措施。例如，可以减少占空比，或者只允许为某些“保活”电路供电以延长电池寿命。

在图 2 所示的系统中，这可以通过在稳压输出引脚和负载之间使用开关来实现。微处理器可以根据 VBAT_OK 信号的状态打开或关闭开关。

管理自己的开机 - 冷启动

当存储元件完全耗尽并且系统没有本地电源时，冷启动电路对于系统运行至关重要。在这种情况下，能源管理 PMIC 必须依靠采集器来启动。然而，如上所述，采集器可能是弱能源，仅输出几百毫伏，因此能量采集 PMIC 必须能够使用采集器的几百毫伏启动。有各种各样的能量收集器 IC 可用，每种都有自己特定的冷启动规范。例如，bq25570 启动发生在大约 330 mV。

静态电流——沉默的杀手

能量收集器 PMIC 的静态电流需要尽可能低。保持该电流低可以最大限度地减少整个系统睡眠电流。能量收集系统通常大部分时间都处于睡眠状态，间歇性地醒来以进行和传输测量，然后再次进入睡眠状态。睡眠时间越长，睡眠电流就对电池寿命至关重要。可以说，没有其他系统参数比睡眠电流对能量收集系统的成败影响更大。就静态电流而言，并非所有的能量收集 PMIC 都是生而平等的。可用选项的范围差异很大。有些具有毫安级的静态电流，而少数具有纳安级的静态电流，后者是最好的。

概括

能量收集 PMIC 是超低功耗能量收集系统的关键组件，工作在纳瓦至毫瓦范围内。这种系统正在寻找广泛的应用，例如用于工业和消费的传感器。传感器通常由电池供电，延长电池寿命是系统设计人员的一个大问题。

选择能量收集 IC 时需要考虑许多因素。在本文中，我们研究了这些集成电路的一些更重要的特性——例如最大功率点跟踪、冷启动、能量存储、负载管理和静态电流。正确选择能量收集 IC 可以让系统设计人员创造性地使用环境能量为他们的应用程序自供电，或增加板载电池以提供更长的运行时间。

审核编辑：郭婷