能量采集系统的电源管理选择策略

　　在过去几年中，许多公司都在努力开发‘永不断电’的免电池供电系统，这些系统可以利用环境能量进行作业。开发这种系统所需的关键积体电路（IC）是超低功耗微处理器、射频电路和电源管理IC （PMIC）。

　　虽然业界在低功耗微处理器和射频电路领域中已经取得了相当大的进步，但适合能量採集应用的PMIC最近几年才开始投入市场。本文首先简要介绍一些可用的环境能源，然后详细讨论为这些能源选择PMIC时需要考虑的因素。

　　环境能源从广义上可以分成直流（DC）电源和交流（AC）电源。DC电源主要从随时间缓慢变化的能源採集能量，例如，分别使用太阳能电池板和热电式发电机的光强度和热梯度，这些採集器的输出电压不必再进行整流。

　　AC採集器主要使用压电材料、电磁产生器和整流天线，从振动和射频能源採集能量。这些能量採集器的输出，在用来为系统供电之前必须先整流为DC电压。本文只讨论DC能量採集器，因为与AC採集器相较，使用这些DC能源的能量採集器更容易大量实现。

　　图1显示能量採集系统的常见架构。整个系统由环境能源、能量缓衝器（超级电容器/电池）、PMIC和系统负载组成。由于来自能源的可用能量取决于随时间变化的环境条件，因此这些能量要在可用时被撷取出来，并储存在能量缓衝器中。

　　图1：典型的能量采集系统架构图。

　　系统负载从能量缓衝器供电。这样即使没有可用的环境能量，整个系统也能运作。电源管理单元本身由DC/DC电源转换器（具有连接能量採集器的最佳介面）、电池管理电路、输出稳压器和冷开机单元组成。以下讨论每个模组的功能和设计考虑要素。　　充电器

　　充电器的功能是从太阳能电池板，或热电式发电机（TEG）获取最大可用的能量，然后将这些能量传送到储存单元。针对充电器所要考虑的首要因素包括拓墣、效率、最大能量撷取网路和复杂性。普通充电器拓扑包括线性降压（LDO）稳压器、降压转换器、升压转换器和降压－升压转换器。

　　对于太阳能电池板来说，拓扑主要取决于太阳能电池板堆叠的输出电压。一般而言，单节电池太阳能电池板的输出电压是0.5V。因此，对于具有单节电池和两节电池太阳能电池板的系统，要求採用升压转换器拓扑，因为电池电压对于NiMH通常要大1.2V，对于锂离子电池要大3V。至于数量更多的串联式电池，可以使用二极体整流器、降压稳压器或LDO等其它转换器。对于TEG而言，输出电压範围从10mV至500mV。因此，升压转换器是首选拓墣。可以将许多TEG串列堆叠起来，获得更高的电压，以便使用LDO或降压稳压器。不过，这种方案的缺点是具有较大的TEG堆叠串联阻抗。

　　为了从太阳能电池板或热电式发电机撷取最大的能量，电池板或TEG必须工作在最大功率点。为了理解能量採集器工作在最大功率点的需求，可以分别考虑如图2a和图2b所示的太阳能电池板和TEG模型。

　　图2：a）太阳能电池板模型，b）热电式发电机模型。

　　太阳能电池板可以建模成一个提供电流的反向偏置二极体并联一个寄生电容器（CHRV）；二极体的电流输出正比于光强度。TEG模型由一个电压源串联一个电阻组成；电阻型号和TEG的内部阻抗取决于TEG的材料属性和尺寸。

　　典型的太阳能电池板和TEG的电流与电压，以及功率与电压的关係分别如图3和图4所示。从图中可以看到，对太阳能电池板而言，在开路电压（OCV）约80%处可以获得最大功率。同样，对于TEG而言，可以在OCV的50%处获得最大功率点。

　　图3：太阳能电池板的电压与电流、电压与功率关係。

　　图4：热电式发电机的电压与电流、电压与功率关係。

　　从图3所示的曲线可以明显看到，需要一个介面电路来撷取可用的最大功率。最大功率撷取电路，透过动态调整电源转换器的输入阻抗来取最大功率。对太阳能收集来说，最大功率撷取是使用简单技术完成的，比如输入电压稳定在固定的一小部份开路电压值、输入电流稳定在固定的一小部份短路电流值，或者使用复杂的基于微处理器的技术。

　　有多种技术可以从热电式发电机撷取最大功率，包括动态改变DC/DC转换器的开关频率，将DC/DC转换器的输入电压稳定在开路电压的50%处。在所有这些转换器中，输出电压都由能量缓衝器决定。

　　值得注意的是，转换器拓扑的选择是在设计复杂性、元件数量和效率之间的折衷。开关转换器通常可以提供比线性稳压器更高的效率，但代价是增加了元件数量、设计复杂性和电压板空间。　　电池管理电路

　　在能量採集系统中，能量缓衝器用于储存从能量採集器获得的间歇能量。然后再用这种储存的能量为系统供电。这种架构允许整个系统即使在能量是间歇获得的条件下也能连续工作。常用的能量缓衝器包括，採用不同化学物质的可充电电池以及超级电容器。电池管理电路有两大功能：首先，它能监视能量缓衝器上的电压，并确保这个电压在由欠压（UV）和过压（OV）阈值确定的安全工作範围内；其次，它能监视能量缓衝器的容量，并向负载指示执行有用工作的可用能量。

　　容量测量可以用简单技术完成，例如监测能量缓衝器上的电压，或使用燃料测定技术，这种技术可测量电池输出和吸收的电压与电流。在使用简单的电压技术提供能量缓衝器遗留容量指示的情况下，可以实现被称为电能良好等级的使用者可程式设计中间电压值。

　　电池管理部份的设计