隨著公司轉(zhuǎn)向采用環(huán)境供電為電路供電的能量收集，工程師發(fā)現(xiàn)自己面臨著各種能源，提供了截然不同的輸出功率范圍。對(duì)于使用太陽(yáng)能或工業(yè)級(jí)熱能或振動(dòng)能的許多能量收集應(yīng)用，持續(xù)輸出功率可以輕松達(dá)到毫瓦級(jí)。然而，對(duì)于其他應(yīng)用，工程師發(fā)現(xiàn)自己在微生物功率水平或以下的挑戰(zhàn)中從消費(fèi)者應(yīng)用中獲取來(lái)自生物資源，室內(nèi)照明或RF的功率。例如，從振動(dòng)中獲取功率的無(wú)線傳感器在連接到振動(dòng)時(shí)可能接近1 mW的持續(xù)輸出。工業(yè)電機(jī)，但在人體運(yùn)動(dòng)供電時(shí)可能只有1μW。同樣，太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的能量收集應(yīng)用可以很容易地在戶外位置獲得數(shù)十毫瓦的功率，但室內(nèi)的功率不到幾十微瓦。

對(duì)于這些應(yīng)用，工程師可以使用Advanced Linear Devices，Cymbet，Infinite Power Solutions，Linear Technology，Microchip Technology，Taiyo Yuden和Texas Instruments等眾多可用組件，IC和模塊。

應(yīng)對(duì)微瓦能源需要仔細(xì)考慮典型微型采集設(shè)計(jì)的每個(gè)階段（圖1）。對(duì)于電源 - 包括能量采集傳感器和電源管理部分 - 工程師需要確保設(shè)計(jì)最大化從源提取能量，并有效地積累從環(huán)境源滴入的能量，以提供與應(yīng)用相關(guān)的峰值負(fù)載。

圖1：在使用環(huán)境能源供電的典型應(yīng)用中，工程師需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的每個(gè)階段。 （德州儀器公司提供。）

太陽(yáng)能電池，壓電設(shè)備和熱電發(fā)電機(jī)（TEG）等能量傳感器具有特征功率輸出曲線，從開(kāi)路電壓（Voc）的零點(diǎn)升至最大功率點(diǎn)（ MPP）在短路電流水平回落到零之前。對(duì)于諸如具有非線性源阻抗的太陽(yáng)能電池的換能器，功率曲線相應(yīng)地是非線性的（圖2），而具有作為壓電器件的換能器和具有恒定源阻抗的TEG表現(xiàn)出正常的鐘形功率曲線。然而，同時(shí)，任何換能器的MPP可以根據(jù)環(huán)境和能量波動(dòng)而顯著變化，例如落在太陽(yáng)能電池上的入射光或壓電裝置的能量源的頻率變化。

圖2：在典型太陽(yáng)能電池的典型功率曲線中，功率輸出變化很大，在最大功率點(diǎn)達(dá)到峰值，負(fù)載阻抗與負(fù)載阻抗相匹配換能器源阻抗。 （由Cymbet提供。）

對(duì)于所有這些傳感器，最大化功率輸出需要通過(guò)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）使傳感器的負(fù)載阻抗與其源阻抗相匹配。對(duì)于諸如壓電器件和TEG的恒阻抗傳感器，可以通過(guò)將傳感器輸出電壓維持在Voc/2來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT。然而，對(duì)于太陽(yáng)能電池，MPPT需要更復(fù)雜的方法，例如擾動(dòng)和觀察算法，其通過(guò)改變輸出電壓并觀察對(duì)功率輸出的影響來(lái)主動(dòng)搜索MPP。

可用設(shè)備有助于簡(jiǎn)化高效電源管理階段的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)用于低至20 mV的輸入電壓，凌力爾特公司的LTC3108和LTC3109等IC專(zhuān)為低輸入電壓傳感器（如TEG）而設(shè)計(jì)，只需少量元件即可為應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多電壓電源傳感器，MCU和無(wú)線設(shè)備等電路（圖3）。

圖3：設(shè)計(jì)用于低輸入電壓能量收集，諸如Linear LTC3108之類(lèi)的器件集成了升壓轉(zhuǎn)換器，電壓基準(zhǔn)，充電控制和輸出電壓調(diào)節(jié)器。 （由Linear Technology提供。）

其他設(shè)備，如Linear LTC3105和德州儀器的bq25504，采用MPPT算法，旨在保持非線性傳感器（如太陽(yáng)能電池）的最大功率輸出，盡管入射能量發(fā)生變化，傳感器時(shí)代，或其他可以移動(dòng)MPP的瞬態(tài)環(huán)境因素。

工程師還可以使用插入式模塊（如Advanced Linear Devices EH4295）找到讀取解決方案。 EH4295旨在提高ALD的EH300和EH300A能量收集模塊的輸入電壓，其工作電源電壓低至2μW。

此外，Cymbet CBC915能量處理器等片上系統(tǒng)（SoC）解決方案集成了完整的能量收集解決方案，包括用于儲(chǔ)能設(shè)備的復(fù)雜MPPT，電源管理和充電控制，例如Cymbet EnerChip? CBC050薄膜儲(chǔ)能裝置。

涓流充電

對(duì)于極低能源或更苛刻的應(yīng)用要求，環(huán)境源提供的能量涓流可能不足以達(dá)到峰值活動(dòng)期。因此，能量收集應(yīng)用通常將受益于使用諸如薄膜電池或超級(jí)電容器的能量存儲(chǔ)裝置。

Cymbet CBC050或Infinite Power Solutions等薄膜電池THINERGY?MEC200系列提供長(zhǎng)期存儲(chǔ)，具有極低的漏電流。超級(jí)電容器能夠快速釋放能量，為峰值負(fù)載提供最大功率輸出。此外，工程師可以使用多并苯（PAS）電容器等設(shè)備，將薄膜電池的大容量?jī)?yōu)勢(shì)與超級(jí)電容器的使用壽命延長(zhǎng)相結(jié)合。例如，太陽(yáng)誘電的PAS3225P2R6143和PAS3225P3R3113等PAS電容可在相對(duì)較長(zhǎng)的放電期間保持最大電壓輸出電平（圖4）。

圖4：太陽(yáng)能登PAS3225P3R3113等PAS電容器結(jié)合了薄膜電池和超級(jí)電容器的許多優(yōu)點(diǎn)，在長(zhǎng)時(shí)間放電時(shí)保持接近恒定的輸出（這里，10μA放電電流）。 （由Taiyo Yuden提供。）

最大限度地降低功耗

盡管在典型的能量收集應(yīng)用的電源階段（參見(jiàn)圖1），最大化能量提取是最重要的，但最大限度地降低應(yīng)用電路的功耗至關(guān)重要成功實(shí)施微瓦能量收集。對(duì)于應(yīng)用電路，工程師可以轉(zhuǎn)向越來(lái)越多的可用MCU，這些MCU在主動(dòng)和待機(jī)模式下均以最低功率運(yùn)行。例如，Microchip Technology PIC24FJ128GA310 MCU在深度睡眠模式下僅消耗10 nA，在具有有源看門(mén)狗定時(shí)器的深度睡眠模式下僅消耗270 nA，在運(yùn)行模式下僅消耗150μA/MHz。德州儀器（TI）的“Wolverine”MCU，例如MSP430FR5720混合信號(hào)MCU，在數(shù)據(jù)保持模式下僅消耗320 nA，在工作模式下僅消耗81.4μA/MHz。

實(shí)際上，對(duì)于旨在監(jiān)控緩慢變化特性的應(yīng)用程序，設(shè)備通常在大多數(shù)時(shí)間都處于待機(jī)模式。例如，在主動(dòng)與待機(jī)比為1：1，000的設(shè)計(jì)中，待機(jī)電流占系統(tǒng)功率的83％以上（表1）。因此，工程師需要特別注意候選設(shè)備的待機(jī)電流特性 - 并在確定能源預(yù)算時(shí)仔細(xì)計(jì)算待機(jī)功率要求。

有源待機(jī)比率待機(jī)時(shí)間％時(shí)間有效×IActive（μAs）TimeStandby×IStandby（μAs）總電荷（μAs）％IStandby對(duì)總功率的影響1:10 90％100 5 107 6.54％1：100 99％ 100 50 150 33％1：1，000 99.9％100 500 600 83.3％