微瓦级电源在能量收集应用中的作用

随着公司转向采用环境供电为电路供电的能量收集，工程师发现自己面临着各种能源，提供了截然不同的输出功率范围。对于使用太阳能或工业级热能或振动能的许多能量收集应用，持续输出功率可以轻松达到毫瓦级。然而，对于其他应用，工程师发现自己在微生物功率水平或以下的挑战中从消费者应用中获取来自生物资源，室内照明或RF的功率。例如，从振动中获取功率的无线传感器在连接到振动时可能接近1 mW的持续输出。工业电机，但在人体运动供电时可能只有1μW。同样，太阳能驱动的能量收集应用可以很容易地在户外位置获得数十毫瓦的功率，但室内的功率不到几十微瓦。

对于这些应用，工程师可以使用Advanced Linear Devices，Cymbet，Infinite Power Solutions，Linear Technology，Microchip Technology，Taiyo Yuden和Texas Instruments等众多可用组件，IC和模块。

应对微瓦能源需要仔细考虑典型微型采集设计的每个阶段（图1）。对于电源 - 包括能量采集传感器和电源管理部分 - 工程师需要确保设计最大化从源提取能量，并有效地积累从环境源滴入的能量，以提供与应用相关的峰值负载。

图1：在使用环境能源供电的典型应用中，工程师需要优化设计的每个阶段。 （德州仪器公司提供。）

太阳能电池，压电设备和热电发电机（TEG）等能量传感器具有特征功率输出曲线，从开路电压（Voc）的零点升至最大功率点（ MPP）在短路电流水平回落到零之前。对于诸如具有非线性源阻抗的太阳能电池的换能器，功率曲线相应地是非线性的（图2），而具有作为压电器件的换能器和具有恒定源阻抗的TEG表现出正常的钟形功率曲线。然而，同时，任何换能器的MPP可以根据环境和能量波动而显着变化，例如落在太阳能电池上的入射光或压电装置的能量源的频率变化。

图2：在典型太阳能电池的典型功率曲线中，功率输出变化很大，在最大功率点达到峰值，负载阻抗与负载阻抗相匹配换能器源阻抗。 （由Cymbet提供。）

对于所有这些传感器，最大化功率输出需要通过最大功率点跟踪（MPPT）使传感器的负载阻抗与其源阻抗相匹配。对于诸如压电器件和TEG的恒阻抗传感器，可以通过将传感器输出电压维持在Voc/2来实现MPPT。然而，对于太阳能电池，MPPT需要更复杂的方法，例如扰动和观察算法，其通过改变输出电压并观察对功率输出的影响来主动搜索MPP。

可用设备有助于简化高效电源管理阶段的设计。设计用于低至20 mV的输入电压，凌力尔特公司的LTC3108和LTC3109等IC专为低输入电压传感器（如TEG）而设计，只需少量元件即可为应用实现多电压电源传感器，MCU和无线设备等电路（图3）。

图3：设计用于低输入电压能量收集，诸如Linear LTC3108之类的器件集成了升压转换器，电压基准，充电控制和输出电压调节器。 （由Linear Technology提供。）

其他设备，如Linear LTC3105和德州仪器的bq25504，采用MPPT算法，旨在保持非线性传感器（如太阳能电池）的最大功率输出，尽管入射能量发生变化，传感器时代，或其他可以移动MPP的瞬态环境因素。

工程师还可以使用插入式模块（如Advanced Linear Devices EH4295）找到读取解决方案。 EH4295旨在提高ALD的EH300和EH300A能量收集模块的输入电压，其工作电源电压低至2μW。

此外，Cymbet CBC915能量处理器等片上系统（SoC）解决方案集成了完整的能量收集解决方案，包括用于储能设备的复杂MPPT，电源管理和充电控制，例如Cymbet EnerChip™ CBC050薄膜储能装置。

涓流充电

对于极低能源或更苛刻的应用要求，环境源提供的能量涓流可能不足以达到峰值活动期。因此，能量收集应用通常将受益于使用诸如薄膜电池或超级电容器的能量存储装置。

Cymbet CBC050或Infinite Power Solutions等薄膜电池THINERGY®MEC200系列提供长期存储，具有极低的漏电流。超级电容器能够快速释放能量，为峰值负载提供最大功率输出。此外，工程师可以使用多并苯（PAS）电容器等设备，将薄膜电池的大容量优势与超级电容器的使用寿命延长相结合。例如，太阳诱电的PAS3225P2R6143和PAS3225P3R3113等PAS电容可在相对较长的放电期间保持最大电压输出电平（图4）。

图4：太阳能登PAS3225P3R3113等PAS电容器结合了薄膜电池和超级电容器的许多优点，在长时间放电时保持接近恒定的输出（这里，10μA放电电流）。 （由Taiyo Yuden提供。）

最大限度地降低功耗

尽管在典型的能量收集应用的电源阶段（参见图1），最大化能量提取是最重要的，但最大限度地降低应用电路的功耗至关重要成功实施微瓦能量收集。对于应用电路，工程师可以转向越来越多的可用MCU，这些MCU在主动和待机模式下均以最低功率运行。例如，Microchip Technology PIC24FJ128GA310 MCU在深度睡眠模式下仅消耗10 nA，在具有有源看门狗定时器的深度睡眠模式下仅消耗270 nA，在运行模式下仅消耗150μA/MHz。德州仪器（TI）的“Wolverine”MCU，例如MSP430FR5720混合信号MCU，在数据保持模式下仅消耗320 nA，在工作模式下仅消耗81.4μA/MHz。

实际上，对于旨在监控缓慢变化特性的应用程序，设备通常在大多数时间都处于待机模式。例如，在主动与待机比为1：1，000的设计中，待机电流占系统功率的83％以上（表1）。因此，工程师需要特别注意候选设备的待机电流特性 - 并在确定能源预算时仔细计算待机功率要求。

有源待机比率待机时间％时间有效×IActive（μAs）TimeStandby×IStandby（μAs）总电荷（μAs）％IStandby对总功率的影响1:10 90％100 5 107 6.54％1：100 99％ 100 50 150 33％1：1，000 99.9％100 500 600 83.3％