在能量收集的背景下，先進(jìn)的電源管理集成電路 （PMIC） 的功能類似于公用事業(yè)公司，因?yàn)樗刂骗h(huán)境電源向下游電子設(shè)備的輸送。根據(jù)五個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)正確選擇 PMIC 可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員增加系統(tǒng)電池或創(chuàng)建自供電系統(tǒng)。

能量收集器是一種電源。它通過(guò)吸收存在于環(huán)境源中的能量，然后將吸收的能量呈現(xiàn)在其輸出端，以供下游電子設(shè)備使用。收集器的一些常見示例是表現(xiàn)出光伏效應(yīng)（太陽(yáng)能電池）和熱電效應(yīng)（熱電發(fā)電機(jī)）的硅器件。前者通過(guò)轉(zhuǎn)換入射光能產(chǎn)生電壓來(lái)充當(dāng)電源；后者將溫差（熱能）轉(zhuǎn)換為電壓。

在這兩種情況下，當(dāng)電源連接到電氣負(fù)載時(shí)，電流就會(huì)流動(dòng)，因此電力會(huì)從環(huán)境電源傳輸?shù)竭\(yùn)行中的設(shè)備。太陽(yáng)能電池和熱發(fā)電機(jī) （TEG） 可以比作電池。兩者都沒(méi)有移動(dòng)部件，并且可以為運(yùn)行電子設(shè)備提供電力。然而，一些收割機(jī)，如擁有 1000 年歷史的風(fēng)車或其現(xiàn)代版本——風(fēng)力渦輪機(jī)——確實(shí)有活動(dòng)部件。其他基于壓電或電磁效應(yīng)的也有運(yùn)動(dòng)部件。壓電采集器是一種采集運(yùn)動(dòng)的硅基設(shè)備。它們將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

雖然收集器是能量收集難題的重要組成部分，但在大多數(shù)情況下，它不能單獨(dú)運(yùn)行。另一塊硅片，即功率調(diào)節(jié) IC，至關(guān)重要。這種功率調(diào)節(jié) IC 也稱為能量收集 PMIC，是收集器本身與下游電子設(shè)備之間的關(guān)鍵鏈接。PMIC 的功能類似于看門人或公用事業(yè)公司，因?yàn)樗刂葡蛴脩糨斔铜h(huán)境電力。

能量收集 PMIC

與只能在有限時(shí)間內(nèi)提供電力的電池不同，收割機(jī)可以提供永恒的電力——或者至少可以提供很長(zhǎng)一段時(shí)間，可以衡量幾年甚至幾十年。許多收割機(jī)的一個(gè)缺點(diǎn)是它們是一種非常弱或低能量的來(lái)源。弱能源將無(wú)法滿足當(dāng)今高耗電應(yīng)用的需求。一些收集器間歇性地提供能量（大多數(shù)太陽(yáng)能電池不會(huì)在低光照條件下運(yùn)行，例如在黑暗中）。PMIC 的作用是接收微弱的間歇性能量，并將這種能量調(diào)節(jié)并轉(zhuǎn)化為可用的形式。

一個(gè)有效的能量收集 IC 應(yīng)該能夠執(zhí)行以下重要功能：

為收割機(jī)提供必要的電氣接口，以確保在給定環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸。

在條件良好時(shí)接收收割機(jī)輸出的能量，并將此能量存儲(chǔ)在存儲(chǔ)設(shè)備中以備后用。

管理（控制）向電氣負(fù)載（通常是下游電子設(shè)備）的電力傳輸，同時(shí)確保來(lái)自負(fù)載的高能量需求不會(huì)使系統(tǒng)面臨突然斷電和導(dǎo)致系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

能夠僅使用較弱的采集器源來(lái)管理自己的啟動(dòng)，以防系統(tǒng)的其余部分因存儲(chǔ)設(shè)備斷電而死機(jī)。

使用非常少的能量來(lái)保持自身運(yùn)行，換句話說(shuō)，最大限度地從采集器源到存儲(chǔ)元件的能量傳輸。當(dāng)源非常弱時(shí)，這一點(diǎn)尤其重要。

現(xiàn)在讓我們回顧一下這五個(gè)功能中每個(gè)功能的重要方面。

最大功率點(diǎn)跟蹤

太陽(yáng)能電池和 TEG 等收集器的激發(fā)源（分別為光和溫度）與其產(chǎn)生的功率之間存在復(fù)雜的關(guān)系。對(duì)于任何給定的外部條件，它們都有一個(gè)產(chǎn)生最大功率的工作點(diǎn)。能量收集 PMIC 的工作是“呈現(xiàn)”和“跟蹤”收集器的負(fù)載電阻，迫使其根據(jù)環(huán)境條件在最大功率點(diǎn)區(qū)域運(yùn)行。隨著環(huán)境條件的變化（例如變得更亮或更暗），具有最大功率點(diǎn)跟蹤 （MPPT） 功能的能量收集 PMIC 將能夠進(jìn)行調(diào)整，以便在所有條件下都獲得最大功率。

有幾種策略可以創(chuàng)建有效的 MPPT 方案。由于其簡(jiǎn)單性和相對(duì)較高的精度，最常用的是開路電壓方案 （VOC）。在這種方法中，采集器的輸出電壓被調(diào)節(jié)到一個(gè)固定值，該值是周期性測(cè)量的“開路電壓”（在零負(fù)載電流條件下）的經(jīng)驗(yàn)得出的比率。例如，大多數(shù)太陽(yáng)能電池可以調(diào)節(jié)到其 VOC 的 75% 到 80% 以在其最大功率點(diǎn)區(qū)域運(yùn)行。

在我們使用bq25570能量收集 PMIC 的示例中，可以使用外部電阻網(wǎng)絡(luò)輕松實(shí)現(xiàn) MPPT（圖 1）。

儲(chǔ)能管理

能量收集 PMIC 起著從收集器接收能量并將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)元件中以供以后按需使用的關(guān)鍵作用。大多數(shù)能量收集 PMIC 與各種存儲(chǔ)元件配合使用，例如傳統(tǒng)電容器、超級(jí)電容器、鋰離子 （Li-Ion） 可充電電池和薄膜電池。

由于大多數(shù)存儲(chǔ)元件都有充電上限和放電下限，因此準(zhǔn)確管理這些和其他相關(guān)參數(shù)在能量收集系統(tǒng)中非常關(guān)鍵。諸如指示電池電量（或存儲(chǔ)元件）是“好”或“不好”的特征對(duì)于設(shè)計(jì)靈活的系統(tǒng)很重要。許多能量收集 PMIC 提供上述功能，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)置外部電阻器的靈活性，以管理存儲(chǔ)元件的充電和放電水平以及“電池良好”水平設(shè)置（圖 2）。

管理向電氣負(fù)載的電力傳輸

為了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，存儲(chǔ)元件的“健康”用于確定何時(shí)可以施加或應(yīng)該移除負(fù)載。通常，能量收集 PMIC 將監(jiān)控存儲(chǔ)元件上的電壓，以提供存儲(chǔ)元件是否良好的指示（信號(hào)）。

只要電壓不低于預(yù)定值，就可以施加負(fù)載并允許消耗功率。如果存儲(chǔ)元件的電壓低于該預(yù)定值，PMIC 可以向微處理器提供信號(hào)并采取一些預(yù)防措施。例如，可以減少占空比，或者只允許為某些“保活”電路供電以延長(zhǎng)電池壽命。

在圖 2 所示的系統(tǒng)中，這可以通過(guò)在穩(wěn)壓輸出引腳和負(fù)載之間使用開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。微處理器可以根據(jù) VBAT_OK 信號(hào)的狀態(tài)打開或關(guān)閉開關(guān)。

管理自己的開機(jī) - 冷啟動(dòng)

當(dāng)存儲(chǔ)元件完全耗盡并且系統(tǒng)沒(méi)有本地電源時(shí)，冷啟動(dòng)電路對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。在這種情況下，能源管理 PMIC 必須依靠采集器來(lái)啟動(dòng)。然而，如上所述，采集器可能是弱能源，僅輸出幾百毫伏，因此能量采集 PMIC 必須能夠使用采集器的幾百毫伏啟動(dòng)。有各種各樣的能量收集器 IC 可用，每種都有自己特定的冷啟動(dòng)規(guī)范。例如，bq25570 啟動(dòng)發(fā)生在大約 330 mV。

靜態(tài)電流——沉默的殺手

能量收集器 PMIC 的靜態(tài)電流需要盡可能低。保持該電流低可以最大限度地減少整個(gè)系統(tǒng)睡眠電流。能量收集系統(tǒng)通常大部分時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，間歇性地醒來(lái)以進(jìn)行和傳輸測(cè)量，然后再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。睡眠時(shí)間越長(zhǎng)，睡眠電流就對(duì)電池壽命至關(guān)重要?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有其他系統(tǒng)參數(shù)比睡眠電流對(duì)能量收集系統(tǒng)的成敗影響更大。就靜態(tài)電流而言，并非所有的能量收集 PMIC 都是生而平等的?？捎眠x項(xiàng)的范圍差異很大。有些具有毫安級(jí)的靜態(tài)電流，而少數(shù)具有納安級(jí)的靜態(tài)電流，后者是最好的。

概括

能量收集 PMIC 是超低功耗能量收集系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，工作在納瓦至毫瓦范圍內(nèi)。這種系統(tǒng)正在尋找廣泛的應(yīng)用，例如用于工業(yè)和消費(fèi)的傳感器。傳感器通常由電池供電，延長(zhǎng)電池壽命是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的一個(gè)大問(wèn)題。

選擇能量收集 IC 時(shí)需要考慮許多因素。在本文中，我們研究了這些集成電路的一些更重要的特性——例如最大功率點(diǎn)跟蹤、冷啟動(dòng)、能量存儲(chǔ)、負(fù)載管理和靜態(tài)電流。正確選擇能量收集 IC 可以讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造性地使用環(huán)境能量為他們的應(yīng)用程序自供電，或增加板載電池以提供更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

審核編輯：郭婷