今天，當(dāng)我們談?wù)撃芰渴占瘯r(shí)，我們通常使用電源一詞來取代電氣設(shè)備中的電池。因此，1980年代的袖珍計(jì)算器的例子非常適合我們今天試圖通過“能量收集”實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

能量收集系統(tǒng)的設(shè)置

能量收集系統(tǒng)中最重要的物品顯然是收集器，最常見的是太陽能電池。收割機(jī)產(chǎn)生的電力需要轉(zhuǎn)換為有用的電壓或電流，為系統(tǒng)供電或?yàn)?a target="_blank">超級電容器和電池等中間儲能設(shè)備充電。當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，需要為電子設(shè)備產(chǎn)生正確的電壓。圖 1 顯示了執(zhí)行許多不同任務(wù)的電源管理單元。匹配輸入阻抗以允許最大收集的能量，為中間儲能充電，從傳統(tǒng)原電池路由電源，為系統(tǒng)生成正確的輸出電壓，并監(jiān)控電流和電壓以生成可靠的系統(tǒng)。所有這些任務(wù)都需要在極小的電源下完成，以便系統(tǒng)可以與小型收割機(jī)或傳感器一起工作。這些功能在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的高度集成有助于降低此類任務(wù)所需的功耗。

圖1中的系統(tǒng)顯示了無線環(huán)境傳感器的典型能量收集系統(tǒng)。這些傳感器通常用于感測溫度、濕度或不同的氣體，如 CO2。能量收集還有許多其他應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用可以在無線占用傳感器的安全和監(jiān)控或工業(yè)監(jiān)控（如資產(chǎn)跟蹤和機(jī)器監(jiān)控）中找到。

能量收集還用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，如便攜式和可穿戴設(shè)備。在家庭醫(yī)療保健應(yīng)用中，無線患者監(jiān)控需要在沒有電池壽命的情況下運(yùn)行或延長電池壽命。

今天，能量收集是一個(gè)非常受歡迎的話題。許多工程師必須評估能量收集解決方案是否可以取代或補(bǔ)充現(xiàn)有的電源解決方案。這種系統(tǒng)今天如此受歡迎的原因是，我們終于達(dá)到了一個(gè)平衡點(diǎn)，從相對低成本和小尺寸的收割機(jī)收集的功率足以為非常低能耗的微控制器和射頻電路供電。在過去幾年中，發(fā)電和能源消耗都取得了進(jìn)步，因此今天許多5到10年前不切實(shí)際的應(yīng)用現(xiàn)在成為可能，并且在經(jīng)濟(jì)上可行。

圖1.能量收集系統(tǒng)設(shè)置。

不同的能源來源

有不同的能源，最常見的是光伏 （PV）、熱電 （TEG）、電磁、壓電和射頻。 光伏和熱電收集器產(chǎn)生直流電壓，而電磁、壓電和射頻收集器產(chǎn)生變化或交流電壓。這使得對電源轉(zhuǎn)換技術(shù)的要求略有不同。

圖 2 顯示了不同的收割類型和 10 平方厘米的收割機(jī)大致可以產(chǎn)生的能量。它在左側(cè)顯示能量產(chǎn)生，在右側(cè)顯示不同任務(wù)的能耗。請注意，中心的功率刻度是對數(shù)的。此圖對于了解想法的可行性非常重要。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)人員投入精力來評估能量收集解決方案，卻發(fā)現(xiàn)收集的能量不足以為給定系統(tǒng)供電。

圖2.不同的能源來源和不同應(yīng)用所需的能源需求。

DC-DC轉(zhuǎn)換器單元的重要性

功率轉(zhuǎn)換和管理通常是現(xiàn)代能量收集系統(tǒng)的核心。雖然有些應(yīng)用不使用復(fù)雜的功率器件，但許多應(yīng)用會使用。沒有智能電源管理的系統(tǒng)示例是一堆菊花鏈太陽能電池，產(chǎn)生相對較高的直流電壓，直接為系統(tǒng)供電，或者中間有一個(gè)簡單的線性穩(wěn)壓器。此類系統(tǒng)通常不具有最佳的能效，或者沒有經(jīng)過良好調(diào)節(jié)的電源電壓。雖然某些負(fù)載可能在電源電壓變化很大的情況下工作，但其他負(fù)載則不能。未來，更先進(jìn)的系統(tǒng)更有可能需要某種形式的電壓轉(zhuǎn)換器和管理模塊。

圖3.用于能量收集應(yīng)用的電源管理器件框圖。

圖3顯示了用于能量收集應(yīng)用的現(xiàn)代電源管理器件的框圖。它包含帶電荷泵的啟動電路，允許輸入端的啟動電壓為380 mV。系統(tǒng)運(yùn)行后，ADP5090的內(nèi)部電路由ADP5090的輸出電壓供電。這是為能量收集系統(tǒng)負(fù)載供電的節(jié)點(diǎn)。一旦該節(jié)點(diǎn)高于1.9 V，輸入電壓可能會降至80 mV，同時(shí)仍能夠收集能量。這在次優(yōu)情況下花費(fèi)大量時(shí)間的系統(tǒng)非常有用。例如，太陽能電池供電的室內(nèi)傳感器。在早上和晚上，太陽能電池上的光可能很少，產(chǎn)生的電力很少。利用這段時(shí)間收集一些能量可以幫助給定時(shí)間段內(nèi)的總功率預(yù)算。在這種情況下，另一個(gè)有助于幫助的方面是ADP5090的低靜態(tài)電流。警覺時(shí)，電流消耗僅為260 nA。圖 4 顯示了一個(gè)典型的實(shí)際應(yīng)用。該圖顯示了住宅樓中的不同位置以及帶有太陽能電池的傳感器在黑暗中花費(fèi)的典型時(shí)間。當(dāng)然，這只是一個(gè)典型的案例。傳感器將看到的光量取決于房屋的結(jié)構(gòu)，包括窗戶的數(shù)量、正在使用的電光量以及傳感器的確切位置。此外，一年中的時(shí)間和房屋的位置也會影響這樣的圖表。關(guān)鍵是，在如此多變的光照條件下，ADP5090的低功耗極大地有助于總功率預(yù)算，尤其是在大部分時(shí)間都在黑暗中度過的地方。

圖4.傳感器在不同住宅建筑位置在黑暗中花費(fèi)的典型時(shí)間。

ADP5090中的DC-DC轉(zhuǎn)換器級非常有趣。它有一個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)路，就像大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣。但是，它不調(diào)節(jié)輸出電壓，也不調(diào)節(jié)輸出電流。調(diào)節(jié)環(huán)路主要以調(diào)節(jié)輸入阻抗的方式設(shè)置。

太陽能電池具有如圖5所示的電流和電壓行為。在沒有電流流動的開環(huán)條件下，提供的電壓處于最大值。然后，當(dāng)電流開始流動時(shí)，電壓下降。在非常高的電流下，電壓急劇下降。在曲線的中間，有一個(gè)膝蓋是峰值功率的點(diǎn)。這是電壓仍然相對較高的地方，也是消耗大量電流的地方。為了在接近最大峰值功率點(diǎn)附近運(yùn)行，我們需要跟蹤該點(diǎn)。僅設(shè)置我們繪制的固定電流值是行不通的，因?yàn)閳D5中給定太陽能電池的曲線會根據(jù)不同的光照條件而移動。為了跟蹤MPP（最大峰值功率點(diǎn)），ADP5090停止在輸入端傳導(dǎo)電流，在不加載的情況下檢查太陽能電池電壓，然后在接下來的16秒內(nèi)設(shè)置MPP。在此時(shí)間段之后，將再次執(zhí)行開環(huán)檢查。事實(shí)證明，16 秒是在遠(yuǎn)離 MPP 和過于頻繁地中斷收獲操作之間很好的折衷方案。

圖5.典型光伏電池的電壓和電流圖。

MPP 跟蹤可確保從電源（例如光伏電池或熱電發(fā)電機(jī)）收集大部分能量。電源管理單元仍有其他任務(wù)。例如，它需要在一定的電壓窗口中控制輸出電壓。ADP5090的作用類似于電流源，為超級電容或電池充電。該元素對于將能量收集與能源消耗分離非常重要。這使得許多沒有恒定可用能量源的系統(tǒng)能夠在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)收集和執(zhí)行某些系統(tǒng)任務(wù)。例如，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中需要每五分鐘發(fā)送一次溫度值的傳感器。如果傳感器由太陽能電池供電，由于中間能量存儲，它仍然可以在黑暗時(shí)期運(yùn)行。

當(dāng)今非常流行的架構(gòu)涉及將能量收集連接到由原電池供電的系統(tǒng)。使用不可充電電池的成功產(chǎn)品可以通過增加能量收集來延長系統(tǒng)的使用壽命。這在不影響系統(tǒng)可靠性的情況下延長了運(yùn)行時(shí)間。對于此類混合系統(tǒng)，ADP5090提供控制原電池的能力。一旦沒有足夠的收集能量可用，來自原電池的電源路徑就會被路由以直接為負(fù)載供電。

圖6.能量收集應(yīng)用的電源管理級示例。

圖6顯示了一個(gè)完整的能量收集功率級，不僅包含主ADP5090 MPPT能量收集IC，還包含第二個(gè)IC ADP5310。它是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，可非常有效地產(chǎn)生兩個(gè)輸出電壓。輸出電流為100 μA時(shí)，效率接近90%。此外，ADP5310還集成了一個(gè)負(fù)載開關(guān)。該負(fù)載開關(guān)可用于關(guān)閉負(fù)載，否則即使不使用，也會不斷消耗功率。

ADP5310降壓轉(zhuǎn)換器可以接受高達(dá)15 V的輸入電壓。這使得該器件可以直接用于交流電壓發(fā)生器，例如壓電或電磁類型。只需一個(gè)橋式整流器，輸出電壓即可直接饋入ADP5310。

如今，許多電源管理集成電路都是專門為能量收集應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。它們使系統(tǒng)能夠與較小的收集器一起運(yùn)行，或者使幾年前無法設(shè)計(jì)的能量收集解決方案成為可能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正在實(shí)施一些偉大的想法，我們將在不久的將來看到并驚嘆于這些想法。

審核編輯：郭婷