能量采集系统选择恰当的管理策略

在过去几年中，许多公司都在努力开发“终身有电的”无电池系统，这些系统可以利用环境能量进行工作。开发这种系统所需的关键集成电路(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，但适合能量采集应用的PMIC最近几年才开始推向市场。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)源和交流(AC)源。直流源主要从随时间缓慢变化的能源采集能量，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，这些采集器的输出电压不必再进行整流。交流采集器主要使用压电材料、电磁发生器和整流天线，从振动和射频能源采集能量。这些能量采集器的输出，在用来给系统供电之前必须整流为直流电压。本文只讨论直流能量采集器，因为与交流采集器相比，使用这些直流能源的能量采集器更容易大批量实现。图1：典型的能量采集系统框图。图1显示了能量采集系统的常见架构。整个系统由环境能源、能量缓冲器(超级电容/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提取出来，并存储在能量缓冲器中。系统负载从能量缓冲器供电。这样即使没有可用的环境能量，整个系统也能工作。电源管理单元本身由直流/直流电源转换器(带有连接能量采集器的最优接口)、电池管理电路、输出稳压器和冷启动单元组成。下面讨论每个模块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存储单元。针对充电器所要考虑的首要因素包括拓扑、效率、最大能量提取网络和复杂性。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，要求采用升压转换器拓扑，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，可以使用二极管整流器、降压稳压器或LDO等其它转换器。对于TEG，输出电压范围从10mV至500mV。因此，升压转换器是首选拓扑。可以将许多TEG串行堆叠起来，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。图2：a)太阳能电池板模型，b)热电式发电机模型。为了从太阳能电池板或热电式发电机提取最大的能量，电池板或TEG必须工作在最大功率点。为了理解能量采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。太阳能电池板可以建模成一个提供电流的反向偏置二极管并联一个寄生电容(CHRV)；二极管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系分别如图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。从图3所示的曲线可以明显看到，需要一个接口电路来提取可用的最大功率。最大功率提取电路，通过动态调整电源转换器的输入阻抗来或取最大功率。对太阳能收集来说，最大功率提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分开路电压值、输入电流稳定在固定的一小部分短路电流值，或者使用复杂的基于微处理器的技术。图3：太阳能电池板的电压与电流、电压与功率关系。图4：热电式发电机的电压与电流、电压与功率关系。有许多种技术可以从热电式发电机提取最大功率，包括动态改变直流/直流转换器的开关频率，将直流/直流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冲器决定。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采集系统中，能量缓冲器用于存储从能量采集器获得的间歇能量。然后再用这种存储的能量给系统供电。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。常用的能量缓冲器包括，采用不同化学物质的可充电电池以及超级电容。电池管理电路有两大功能：首先，它能监视能量缓冲器上的电压，并确保这个电压在由欠压(UV)和过压(OV)门限值确定的安全工作范围内；其次，它能监视能量缓冲器的容量，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，例如监测能量缓冲器上的电压，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冲器遗留容量指示的情况下，可以实现被称为电能良好级别的用户可编程中间电压值。电池管理部分的设计考虑要素取决于使用的能量缓冲器。对于可充电电池而言，0V和UV门限基于电池化学成份。对超级电容来说，OV和UV门限则取决于IC的绝对最大额定值，以及电容的绝对最大额定值中较低的值。使用针对能量缓冲器的最优设置参数，可以最大限度延长系统寿命。电池管理部分的另外一个设计考虑因素是，电池管理部分消耗的静态电流。电池管理模块中的电路包括参考基准、比较器和数字逻辑等构建模块。这些电路消耗的电流必须最小化。这是因为电池管理部分使用的任何能量都会泄漏电池能量，这部分能量是无法提供给外部负载的。冷启动冷启动单元是一种可选模块，可能出现在典型的能量采集PMIC中，也可能不出现。冷启动单元的功能是当存储单元中存储的能量不够时进行系统引导。冷启动单元的设计与具体应用有很大关系。对于太阳能应用来说，可以使用输入供电(相对于电池供电)的振荡器，来驱动暂时低效率的开关转换器的开关。一旦能量缓冲器中建立起了足够的能量，高效率的开关转换器就可以接管了。对于热电式发电机而言，冷启动单元可以使用变压器耦合式振荡器拓扑实现，或使用系统的机械运动实现。这种模块的设计考虑因素包括最小启动电压、启动功率、峰值浪涌电流和启动所需的时间。稳压器稳压器的功能是从电池提供稳定的电压。这个模块的拓扑取决于电池、系统负载要求和静态电流。本文小结本文讨论了为直流能量采集应用设计，以及选择电源管理IC时要考虑的关键因素，包括针对每个IC构建模块的设计考虑要点。用于能量采集的PMIC，可以将某些或全部功能都集成在单个IC上。PMIC的选择取决于能量采集源、能量缓冲器和系统负载。