過(guò)去幾年，各大公司都做出了相當大的努力，目標是讓一些持續供電和無(wú)電池型系統能夠利用自然能工作。開(kāi)發(fā)這種系統所需的關(guān)鍵集成電路(IC)是超低功耗微處理器、無(wú)線(xiàn)電器件和電源管理IC。盡管我們在低功耗微處理器和無(wú)線(xiàn)電器件方面已經(jīng)取得了相當大的進(jìn)步，但適用于能源采集應用的一些電源管理IC只到最近才出現在市場(chǎng)上。本文將簡(jiǎn)單介紹一些可用自然能源，之后將詳細討論為這些能源選擇PMIC時(shí)需要考慮的因素。

自然能電源廣義上可劃分為直流(DC)電源和交流(AC)電源。DC電源包括采集自各種能源的采集能量，它們隨光照強度和熱梯度變化較慢，使用太陽(yáng)能電池板和熱電發(fā)電機。這些采集器的輸出電壓不必經(jīng)過(guò)整流。AC集成器包括使用壓電材料、電磁發(fā)電機和整流天線(xiàn)，采集自振動(dòng)和射頻功率的能量。在用于為某個(gè)系統供電以前，必須對這些能源采集器的輸出整流至某個(gè)DC電壓。本文中，只有DC能源采集器被看作是利用這些能源的能量采集器，相比AC采集器，它更容易獲得高輸出。

圖1:一般能源采集系統結構圖

圖1顯示了能源采集系統的一般架構。該總系統由自然能電源、能量緩沖器（超級電容器/電池）、電源管理集成電路(PMIC)和系統負載組成。由于能源可用能量取決于隨時(shí)間變化的環(huán)境條件，因此獲取能源能量后存儲于能量緩沖器。系統負載通過(guò)能量緩沖器供電驅動(dòng)。這樣做可讓系統在沒(méi)有可用自然能的情況下仍然能夠正常工作。電源管理單元由一個(gè) DC/DC功率轉換器（能源采集器接口經(jīng)過(guò)優(yōu)化）、電池管理電路、輸出穩壓器和冷啟動(dòng)單元組成。接下來(lái)，我們將逐一討論這些模塊的功能和設計考慮因素。

充電器

充電器的功能是從太陽(yáng)能電池板或者TEG獲取最大有效能量，然后將其傳輸至存儲組件。充電器的主要考慮因素包括拓撲結構、效率、最大功率提取網(wǎng)絡(luò )和復雜度。常見(jiàn)充電器拓撲包括線(xiàn)性壓降 (LDO)穩壓器、降壓轉換器、增壓轉換器和升降壓轉換器。

使用太陽(yáng)能電池板時(shí)，拓撲結構主要取決于太陽(yáng)能電池板堆棧的輸出電壓。一般而言，單節電池太陽(yáng)能板的輸出為0.5V。因此，對于單節電池和兩節電池太陽(yáng)能板的系統來(lái)說(shuō)，要求使用一個(gè)增壓轉換器拓撲，因為鎳氫電池和鋰離子電池的電池電壓一般大于1.2V和3V。更多串聯(lián)電池時(shí)，可以使用如二極管整流器、降壓穩壓器或者LDO等其它轉換器。就熱電發(fā)電機而言，輸出電壓范圍為10mV到500 mV。因此，使用熱電發(fā)電機(TEG)時(shí)，我們主要選擇增壓轉換器。串聯(lián)堆疊許多TEG來(lái)獲得更高的電壓是可能的，這樣便可以使用LDO或者降壓穩壓器。這種方案的缺點(diǎn)是存在較大的TEG堆棧串聯(lián)阻抗。

圖2:(a-b)、太陽(yáng)能電池板和熱電發(fā)電機模型

為了從太陽(yáng)能電池板或者熱電發(fā)電機獲取最大功率，電池板或者TEG必須工作在其最大功率點(diǎn)。要理解能源采集器需在其最大功率點(diǎn)下工作的原因，請分別參見(jiàn)圖2a和圖2b所示太陽(yáng)能電池板和TEG模型�？蓪⑻�陽(yáng)能電池板建模為一個(gè)反向偏置二極管，其提供寄生電容(CHRV)并聯(lián)電流。二極管的電流輸出與光照強度成比例關(guān)系。熱電發(fā)電機模型由一個(gè)與電阻器串聯(lián)的電壓源組成。電阻器模型和TEG內部阻抗取決于材料屬性和TEG的體積。使用典型太陽(yáng)能電池板和TEG時(shí)，圖3和圖4分別顯示了電流對電壓和功率對電壓情況。您可以看到，就太陽(yáng)能電池板而言，在約80%開(kāi)路電壓(OCV)時(shí)得到最大功率。類(lèi)似地，就TEG而言，在50% OCV時(shí)獲得最大功率點(diǎn)。

根據圖3所示曲線(xiàn)圖，可以很清楚地知道，需要一個(gè)接口電路來(lái)獲得最大有效功率。最大功率提取電路動(dòng)態(tài)地調節功率轉換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進(jìn)行太陽(yáng)能采集時(shí)，利用開(kāi)路電壓固定部分輸入電壓調節、短路電流固定部分輸入電流調節等簡(jiǎn)單技術(shù)，或者使用一些基于微處理器的復雜技術(shù)，可以實(shí)現最大功率提取。

圖3:太陽(yáng)能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線(xiàn)圖

圖4:熱電發(fā)電機的電壓與電流以及電壓與功率曲線(xiàn)圖

從TEG提取最大功率的一些技術(shù)包括動(dòng)態(tài)改變DC/DC轉換器開(kāi)關(guān)頻率，然后在50%開(kāi)路電壓對DC/DC轉換器輸入電壓進(jìn)行調節。在所有這些轉換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉換器拓撲結構的選擇，是在設計復雜度、組件數目和效率之間進(jìn)行權衡的一個(gè)過(guò)程。開(kāi)關(guān)式轉換器一般擁有比線(xiàn)性穩壓器更好的效率，但代價(jià)是組件數目更多、設計更復雜且占用電路板空間更大。

電池管理電路

在能源采集系統中，能量緩沖器用于存儲來(lái)自能源采集器的有效間歇性能量。之后，使用所存儲的能量為系統供電。即使可用能源存在不連續的情況下，這種架構也可讓總系統持續工作。常用能量緩沖器包括各種化學(xué)物質(zhì)的可重復充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個(gè)主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進(jìn)行監控，確保該電壓在由欠電壓(UV) 和過(guò)電壓(OV)閾值確定的安全工作區域內。其次，它對能量緩沖器的容量進(jìn)行監控，并為有效工作所需能量可用情況相關(guān)的負載提供指示。利用一些簡(jiǎn)單的技術(shù)，例如：能量緩沖器電壓監控或者使用電量計方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進(jìn)行測量，便可完成對電量的測量。當使用簡(jiǎn)單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時(shí)，我們可以實(shí)現一種被稱(chēng)作電力良好水平的用戶(hù)可編程中間電壓電平。

電池管理部分的設計考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復充電電池時(shí)，OV和UV閾值基于電池的化學(xué)物質(zhì)組成。使用超級電容器時(shí)，OV和UV閾值由IC和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設置，可以最大化系統的壽命。電池管理部分的另一個(gè)設計考慮因素是電池管理部分消耗的靜態(tài)電流。電池管理模塊電路包括基準、比較器和數字邏輯等基礎模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因為，電池管理部分使用的任何能量都會(huì )使電池漏電，并且這種能量并未提供給外部負載。

冷啟動(dòng)

冷啟動(dòng)單元是一種備選模塊，在典型能源采集PMIC中可有可無(wú)。冷啟動(dòng)單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時(shí)幫助系統啟動(dòng)。具體冷啟動(dòng)單元設計取決于不同的應用。就太陽(yáng)能應用而言，我們可以使用一個(gè)輸入驅動(dòng)型（相對于電池供電型）振蕩器來(lái)驅動(dòng)暫時(shí)低效的開(kāi)關(guān)式轉換器的開(kāi)關(guān)^[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開(kāi)關(guān)式轉換器便可接管。就熱電發(fā)電機而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓撲或者利用系統的機械運動(dòng)，來(lái)實(shí)現冷啟動(dòng)單元^[2,3]。這種模塊的設計考慮因素為最小啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)功率、峰值浪涌電流和啟動(dòng)所需時(shí)間。

穩壓器

穩壓器的功能是對電池電壓進(jìn)行調節，以提供穩定的電壓。這種模塊的拓撲取決于電池、系統負載要求和靜態(tài)電流。

總結

本文中，我們討論了適用于DC能源采集應用的電源管理IC設計或者選擇過(guò)程中需要考慮的一些重要因素，包括每個(gè)IC基礎模塊的設計考慮因素等。能源采集PMIC可以把某些或者所有功能都集成在單塊IC上。PMIC選擇取決于能源采集源、能量緩沖器和系統負載。