微能量采集开启无电池工作时代

能量无处不在，如太阳、电灯散发的光能，各种振动产生的能量，人类运动时产生的生物热能，以及在我们周围的空间中充斥着的各种频段的电磁波所产生的能量。另一方面，在如今的一些消费类、工业类、医疗类及汽车类的产品中，往往更大容量的电池并不适用，甚至没有空间存放电池，更别说对电池进行快速充电。例如，一些可穿戴设备、远程监控设备和传感器网络等，这些应用难以获得持续供电，只能从周围环境或传感器获取能量。可以说，它们其实没有人为地供电，是一种无电池工作。因此，以微电源为输入能源的解决方案将有很大的市场空间，而如何采集这些五花八门的微小能量并加以应用成为新兴课题。

近日，德州仪器（TI）推出了5款电源管理芯片bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 与TPS62736，可高效提取和管理从光源、热源或机械能源采集的微瓦(uW) 至毫瓦(mW) 级电源，在开启下一代能量采集的竞争中先声夺人。TI电池管理市场及应用经理文司华博士向记者详细介绍了这几款芯片的优势。

图1TI电池管理市场及应用经理文司华博士

微电源的挑战

文博士说：“我们处处需要系统级的电源方案，但最大的挑战是，什么样的电源才能适用于应用场景，电源无疑是很重要的，在任何情况下有面向该应用的最低功耗解决方案。TI提供的全套技术方案，包括电源管理和高精度的模拟IC，这是我们最大的专长；此外，我们有非常低功耗的微控制器，低功耗的无线连接，包括Wi-Fi、ZigBee、蓝牙以及1个Sub-1 GHz集成的芯片。我们希望在能量采集概念范畴下，能从光、热量、振动、RF上去获取能量，为控制器进行供电。一个很大的挑战摆在面前，一般的DC/DC转换器，如用在手持设备上的单节锂电池，输入电流在1 A左右，很少在50 mA以下，输入电压在1.8 V以下也比较少，一般都是3 V或2.5 V以上。而太阳能（10~10 000 uW/cm²）、热量（25~1 000 uW/cm²）、振动（50~250 uW/cm²）、RF（0.01~0.1 uW/cm²）的能量采集，它们所提供的电压非常少，可能少于1 V，电流也是毫安级或微安级的。因此，能量采集技术的要点即最大的挑战是能够把这些输入微电源收集起来，这就需要去研究拓扑结构和更深层次的芯片设计。”

能量采集技术高效使用流程如图2所示。在采集完微能量之后，实际上还不能直接给终端产品供电，如无线电广播ZigBee、蓝牙、MCU，因为最少也要几十或上百微安级的功耗，所以还需要存储元件，可以是锂离子电池，也可以是薄膜电池或超级电容。这个存储元件是必须的，因为在大部分时间是在收集能量，少数时间是在发射能量或应用能量，所以，需要将采集的微能量保存在存储元件中，最终以一定的形式输出并供电。

图2能量采集技术高效使用流程

毫微级电源采集

TI 最新推出的集成降压转换器的升压充电器bq25570工作电压为120 mV~3 V，其不但静态流耗极低，仅为488 nA，而且可在输出电流低于10 uA的情况下实现超过90%的效率（这得益于其自耗电非常小），从而在供电量极低的情况下也能保持高效率，如图3所示。相比之下，一个DC/DC 转换器在10 mA的情况下效率一般为50%~60%，在重载或常载的情况下，如300 mA或500mA，会出现80%~90%的效率。bq25570不仅支持最大功率点跟踪(MPPT)，可从光伏电池和热电发生器提取和管理电源，而且还支持任何能源存储元件，例如可充电式锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或常规电容器等。在长期存储期间，bq25570 供电可通过“运送模式(ship mode)”特性禁用，使其流耗不足5 nA。

图3bq25570仿真图

bq25505升压充电器与bq25570类似，但可实现低至325 nA的工作静态电流。bq25505 采用独特的自动功率多路复用器栅极驱动器，可通过能量采集电源与原电池实现无缝系统工作，可在长时间黑暗或无能源时作为备用电池。

TI此次新推出的芯片还有针对300 mA输出电流设计方案的最小、最低功耗的降压转换器TPS62740，其可在主动工作状态下支持360 nA的静态电流，而待机状态下静态电流则为70 nA。这款转换器可在低至10 uA的电流下实现超过90%的效率。对于更低电流设计而言，TI 针对200 mA设计方案的最新TPS62737转换器以及针对50 mA设计方案的TPS62736可在主动工作期间实现370 nA 的超低静态电流，在睡眠模式下实现15 nA的静态电流，而在输出电流不足15 uA 的情况下也可实现90% 的效率。

文博士强调：“此次推出的芯片针对的应用是低数据速率、低占空比的超低功耗设计，这样才能可以让芯片有充足的时间缓慢获取太阳能或其他形式的能量。”从终端应用角度看，智能家居、可穿戴设备、摇控器之类需要更长电池使用寿命的设备，人体医疗上的植入设备、石油钻井平台和管道等难以触及的设备，以及需要大量无线传感器供电的环境感知应用，这些都可以用到TI最新一代电源管理芯片。

微能源采集技术为无电池工作应用所带来的变革是显而易见的，而这种技术究竟能做出多大贡献，我们将拭目以待。