能量采集系统选择恰当的管理策略

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1、在过去儿年中，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屮己经取得了相当大的进步,但适合鯉采集应用的PMIC最近儿年才开始推向市场。木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H流(DC)源和交流(AC)源。H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

2、采集器主要使用压电材料、电磁发牛器和整流天线，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。木文只讨论直流能量釆集器，因为与交流采集器相比，使用这些宜流能源的能量采集器更容易大批量实现。射频微处理器图［:典型的能量釆集系统框图。图「显示了能址采集系统的常'见架构。整个系统由环境能源、能址缓冲器(超级电容/电池)、PMIC和系统负载组成。由丁•来自能源的可用能量取决于随时间变化的环境条件，因此这些能量耍在可用时被提取出來，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。电源管理单元本身山BlM流

3、电源转换器(带有连接能址采集器的最优接口)、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、升压转换器和降压一升压转换器。对太阳能电池板来说，拓扑主耍取决丁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

4、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500mVo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人的TEG堆叠串联阻抗。ChrvRr(b)(a)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人的能址，电池板或TEG必须工作在最人功率点。为了理解能量采集器工作在最大功率点的需求，町以分别考虑如图2a和图2b所示的太阳能电池

5、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牛电容(CHRV)；二极管的电流输出正比丁•光强度。TEG模型山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TTEG而言，可以在OCV的50%处获得最人功率点。从图3所示的曲线可以明显看到，需要一个接口电路來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

6、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，或者使用复杂的基丁•微处理器的技术。百二nod5004002001000SolarPanelVoltage(V)图3：太阳能电池板的电压与电流、电压与功率关系。2S01800300•Pout(uwi-IOut(uA)一AAnrrwd06Thermool&ctricgeneratorVoltag^

7、入电压稳定在开路电压的50%处。在所仃这些转换器小，输出电压都山能量缓冲器决定。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Z间的折衷。开关转换器通常可以提供比线性稳圧器更高的效率，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，能员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，釆用不同化学物质的可充电电池以及超级电容。电