适用于能量采集应用的电源管理架构

作者：Karthik Kadirvel、John Carpenter和Brian Lum-Shue-Chan，德州仪器 (TI)

过去几年，各大公司都做出了相当大的努力，目标是让一些持续供电和无电池型系统能够利用自然能工作。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、无线电器件和电源管理 IC。尽管我们在低功耗微处理器和无线电器件方面已经取得了相当大的进步，但适用于能源采集应用的一些电源管理 IC 只到最近才出现在市场上。本文将简单介绍一些可用自然能源，之后将详细讨论为这些能源选择 PMIC 时需要考虑的因素。

自然能电源广义上可划分为直流 (DC) 电源和交流 (AC) 电源。DC 电源包括采集自各种能源的采集能量，它们随光照强度和热梯度变化较慢，使用太阳能电池板和热电发电机。这些采集器的输出电压不必经过整流。AC 集成器包括使用压电材料、电磁发电机和整流天线，采集自振动和射频功率的能量。在用于为某个系统供电以前，必须对这些能源采集器的输出整流至某个 DC 电压。本文中，只有 DC 能源采集器被看作是利用这些能源的能量采集器，相比 AC 采集器，它更容易获得高输出。


图 1 一般能源采集系统结构图

图 1 显示了能源采集系统的一般架构。该总系统由自然能电源、能量缓冲器（超级电容器/电池）、电源管理集成电路 (PMIC) 和系统负载组成。由于能源可用能量取决于随时间变化的环境条件，因此获取能源能量后存储于能量缓冲器。系统负载通过能量缓冲器供电驱动。这样做可让系统在没有可用自然能的情况下仍然能够正常工作。电源管理单元由一个 DC/DC 功率转换器（能源采集器接口经过优化）、电池管理电路、输出稳压器和冷启动单元组成。接下来，我们将逐一讨论这些模块的功能和设计考虑因素。

充电器

充电器的功能是从太阳能电池板或者 TEG 获取最大有效能量，然后将其传输至存储组件。充电器的主要考虑因素包括拓扑结构、效率、最大功率提取网络和复杂度。常见充电器拓扑包括线性压降 (LDO) 稳压器、降压转换器、增压转换器和升降压转换器。

使用太阳能电池板时，拓扑结构主要取决于太阳能电池板堆栈的输出电压。一般而言，单节电池太阳能板的输出为 0.5V。因此，对于单节电池和两节电池太阳能板的系统来说，要求使用一个增压转换器拓扑，因为镍氢电池和锂离子电池的电池电压一般大于 1.2V 和 3V。更多串联电池时，可以使用如二极管整流器、降压稳压器或者LDO等其它转换器。就热电发电机而言，输出电压范围为 10mV 到 500 mV。因此，使用热电发电机 (TEG) 时，我们主要选择增压转换器。串联堆叠许多TEG来获得更高的电压是可能的，这样便可以使用 LDO 或者降压稳压器。这种方案的缺点是存在较大的 TEG 堆栈串联阻抗。



图 2 (a-b)、太阳能电池板和热电发电机模型

为了从太阳能电池板或者热电发电机获取最大功率，电池板或者 TEG 必须工作在其最大功率点。要理解能源采集器需在其最大功率点下工作的原因，请分别参见图 2a 和图 2b 所示太阳能电池板和 TEG 模型。可将太阳能电池板建模为一个反向偏置二极管，其提供寄生电容 (CHRV) 并联电流。二极管的电流输出与光照强度成比例关系。热电发电机模型由一个与电阻器串联的电压源组成。电阻器模型和 TEG 内部阻抗取决于材料属性和 TEG 的体积。使用典型太阳能电池板和 TEG 时，图 3 和图 4 分别显示了电流对电压和功率对电压情况。您可以看到，就太阳能电池板而言，在约 80% 开路电压 (OCV) 时得到最大功率。类似地，就 TEG 而言，在50% OCV 时获得最大功率点。

根据图 3 所示曲线图，可以很清楚地知道，需要一个接口电路来获得最大有效功率。最大功率提取电路动态地调节功率转换器的输入阻抗，以获得最大功率。在进行太阳能采集时，利用开路电压固定部分输入电压调节、短路电流固定部分输入电流调节等简单技术，或者使用一些基于微处理器的复杂技术，可以实现最大功率提取。


图 3 太阳能电池板的电压与电流以及电压与功率曲线图


图 4 热电发电机的电压与电流以及电压与功率曲线图

从 TEG 提取最大功率的一些技术包括动态改变 DC/DC 转换器开关频率，然后在 50% 开路电压对 DC/DC 转换器输入电压进行调节。在所有这些转换器中，输出电压都由能量缓冲器决定。

请注意，转换器拓扑结构的选择，是在设计复杂度、组件数目和效率之间进行权衡的一个过程。开关式转换器一般拥有比线性稳压器更好的效率，但代价是组件数目更多、设计更复杂且占用电路板空间更大。

电池管理电路

在能源采集系统中，能量缓冲器用于存储来自能源采集器的有效间歇性能量。之后，使用所存储的能量为系统供电。即使可用能源存在不连续的情况下，这种架构也可让总系统持续工作。常用能量缓冲器包括各种化学物质的可重复充电电池和超级电容器。电池管理电路有两个主要功能。首先，它对能量缓冲器的电压进行监控，确保该电压在由欠电压 (UV) 和过电压 (OV) 阈值确定的安全工作区域内。其次，它对能量缓冲器的容量进行监控，并为有效工作所需能量可用情况相关的负载提供指示。利用一些简单的技术，例如：能量缓冲器电压监控或者使用电量计方法，对电池的输入、输出电压和电流进行测量，便可完成对电量的测量。当使用简单的电压型方法指示能量缓冲器剩余电量时，我们可以实现一种被称作电力良好水平的用户可编程中间电压电平。

电池管理部分的设计考虑因素取决于所使用的能量缓冲器。使用可重复充电电池时，OV 和 UV 阈值基于电池的化学物质组成。使用超级电容器时，OV 和 UV 阈值由 IC 和电容器的绝对最大额定值的下限决定。使用能量缓冲器的最佳设置，可以最大化系统的寿命。电池管理部分的另一个设计考虑因素是电池管理部分消耗的静态电流。电池管理模块电路包括基准、比较器和数字逻辑等基础模块。必需最小化这些电路消耗的电流。这是因为，电池管理部分使用的任何能量都会使电池漏电，并且这种能量并未提供给外部负载。

冷启动

冷启动单元是一种备选模块，在典型能源采集 PMIC 中可有可无。冷启动单元的功能是在存储组件中所储能量不足时帮助系统启动。具体冷启动单元设计取决于不同的应用。就太阳能应用而言，我们可以使用一个输入驱动型（相对于电池供电型）振荡器来驱动暂时低效的开关式转换器的开关[1]。一旦能量缓冲器中形成足够的能量，高效开关式转换器便可接管。就热电发电机而言，可使用变压器耦合振荡器拓扑或者利用系统的机械运动，来实现冷启动单元[2,3]。这种模块的设计考虑因素为最小启动电压、启动功率、峰值浪涌电流和启动所需时间。

稳压器

稳压器的功能是对电池电压进行调节，以提供稳定的电压。这种模块的拓扑取决于电池、系统负载要求和静态电流。

总结

本文中，我们讨论了适用于 DC 能源采集应用的电源管理 IC 设计或者选择过程中需要考虑的一些重要因素，包括每个 IC 基础模块的设计考虑因素等。能源采集 PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在单块 IC 上。PMIC 选择取决于能源采集源、能量缓冲器和系统负载。

参考文献

1、《6 引脚 SC-70 封装的低输入电压升压转换器》(TPS61220)，2009 年 1 月 TI 产品说明书 (SLVS776)。
2、《35mV 启动电压免电池长效节能设计的热电能量采集接口电路》，作者：Yogesh Ramadass, Anantha Chandrakasan，刊发于 2011 年 1 月《IEEE 固态电路杂志》。
3、《热电发电机低输入电压转换器设计》，作者：John Damaschke，刊发于1997年《IEEE 工业应用杂志》第 3 卷No. 55 第 1203 页 – 1208 页。

作者简介

Karthik Kadirvel现任 TI 微型电源能量采集产品部的混频信号设计工程师。他毕业于美国弗罗里达大学 (University of Florida)，获博士学位。

John Carpenter现任 TI 微型电源能量采集产品部系统工程师。他毕业于美国南弗罗里达大学 (University of South Florida)，获硕士学位。

Brian Lum-Shue-Chan 现任 TI 电池管理产品部设计经理。他毕业于美国佐治亚州亚特兰大乔治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia)，获电子工程理学学士学位和硕士学位。