高度集成的電源IC，用于空間受限的能量收集應(yīng)用

能量收集主要視為提供電力不具有接入到電源或需要一個補(bǔ)充源的電池的電子設(shè)備的裝置。在許多情況下，它被用來在應(yīng)用中根本就足夠空間包括笨重的電池。經(jīng)典的實(shí)例包括可穿戴的技術(shù)，如健身工具和健康監(jiān)測裝置，以及在諸如環(huán)境或結(jié)構(gòu)監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)。通常情況下，能量從環(huán)境來源，例如太陽能，振動或溫度差收獲需要轉(zhuǎn)換，升壓并臨時存儲，然后才能被有效地利用。專門為能量收集應(yīng)用的功率轉(zhuǎn)換和功率管理集成電路的范圍越來越廣，現(xiàn)在可以從許多公司。的壓力，以確保這些裝置是高度集成的多功能操作和盡可能小。他們本身是非常低的功耗自不待言。本文將概述了蓬勃發(fā)展的“身打扮”市場和相關(guān)應(yīng)用的小型化的要求。然后，它會考慮近期推出的bq25570升壓充電器，帶有集成降壓轉(zhuǎn)換器，具有許多相似的替代和補(bǔ)充部分在一起。將參考TI的用戶指南，說明如何該設(shè)備可以得到最好的利用超低功耗，空間/重量限制的能量收集的應(yīng)用程序。

更多功能

越來越多的人的范圍可穿戴的設(shè)備，以幫助人們跟蹤他們的健身程序，監(jiān)測健康和提供醫(yī)療服務(wù)。的趨勢，與大多數(shù)便攜式設(shè)備，是提高功能的消費(fèi)預(yù)期抬頭。一個心臟監(jiān)測儀將更具吸引力，如果它也采用了GPS跟蹤周期或跑步路線?，F(xiàn)代穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)在不僅監(jiān)視心電圖反應(yīng)，而且血壓，體溫，血氧含量，心臟率和活動水平。

圖1：能量采集將是許多穿戴式應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。左：Sensoria襪子配有壓力傳感器，通過藍(lán)牙進(jìn)行通信的腳鏈，以幫助識別和優(yōu)化運(yùn)行方式(腳后跟/球罷工等)。附加的傳感器追蹤步數(shù)，速度，卡路里，高度和距離。右：可穿戴式輔助裝置的老人，由德國弗勞恩霍夫研究所開發(fā)，提供一系列的可編程服務(wù)，包括服藥提醒，健康監(jiān)測和緊急援助呼叫。無線連接可以用于發(fā)送收集到的被儲存和再分析數(shù)據(jù)的設(shè)備。作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在應(yīng)用所必需的，如智能建筑和環(huán)境監(jiān)測，其中從多個傳感器的數(shù)據(jù)被編譯。其結(jié)果是，有越來越多的傳感器，RF電路和更復(fù)雜的微控制器集成到智能手表，生物特征監(jiān)測器，ID標(biāo)簽，傳感器節(jié)點(diǎn)和其它可佩帶或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序。然而，這樣的多功能設(shè)備將只能成功，如果他們有電荷之間合理的電池壽命，同時保持重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，穿著舒適。設(shè)計(jì)師們從腳步轉(zhuǎn)向能量收集利用周圍的能量，如身熱，或振動，以保持電池充電。在一些設(shè)備，如植入物，所采集的能量可以是唯一的電源。能量收集可以，因此，被視為一個有價值節(jié)省空間的技術(shù)，無論是更換電池或允許使用更小的，可再充電電池。電源管理是任何設(shè)備由電池供電或清理能源的重要組成部分。確保卓越的性能和高效率運(yùn)行從非常低，常有不規(guī)則的來源，需要準(zhǔn)確度和精密度。許多IC制造商都瞄準(zhǔn)了這一市場，其中包括先進(jìn)的線性器件，將C​​ymbet，凌力爾特，美信集成，Spansion公司，意法半導(dǎo)體和德州儀器。每一代的集成度越來越高，體積更小，功耗更低比上一次。原則上，這些裝置包括獲取收獲的能量，轉(zhuǎn)換和/或升壓，然后將其提供直接向系統(tǒng)或可再充電的存儲設(shè)備的裝置。某些設(shè)計(jì)專用于一種特定類型的能量存儲裝置，如超級電容器或鋰離子紐扣電池的例子。其他人可能支持多種類型。類似地，一些可以專用于能量收集一種形式中，其他人可以支持幾個。很重要的一點(diǎn)看，根據(jù)不同的應(yīng)用，是所需要的啟動電壓。一些可以是低至20毫伏，但功能性可以是有限的，需要額外的補(bǔ)充部件，以提供完整的電源管理。更高度集成的部件可提供一個更小的整體尺寸和更低的總體靜態(tài)電流，但可能需要更高的啟動電壓，使它們更依賴于儲存能量的最低水平。一些設(shè)備顯然是針對超低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)。其他人會支持基于微控制器的設(shè)備所需的更高的輸入電壓等級，雖然MICROS自己將超低功耗的能量采集應(yīng)用。重要的是，電源管理IC需要有足夠的靈活性來處理間歇性的供應(yīng)和變化的，往往非常低，水平采集的能量的。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到這一點(diǎn)，結(jié)合足夠的能量儲存能力在需要的時候提供穩(wěn)定的動力。在很大程度上將取決于頻率傳感器需要被讀取，多少和多久的數(shù)據(jù)需要傳輸。

高度集成

德州儀器(TI)提供了廣泛的超低功耗，為能量收集應(yīng)用的小型化設(shè)備，包括電源管理IC，無線連接和微控制器。它的一個最新推出的bq25570，描述為一個高度集成的能量收集納米電源管理解決方案。它符合所有的標(biāo)準(zhǔn)，利用能量采集空間受限，功率受限的應(yīng)用。包含在一個小巧二十導(dǎo)致3.5個3.5mm QFN封裝，該器件具有488 nA(典型值)和<5 nA的船舶模式的超低功耗靜態(tài)電流。評估模塊，bq25570EVM，也可用。詳細(xì)的產(chǎn)品和應(yīng)用信息的裝置datasheet¹提供的評估板用戶Guide.²是高度集成的，它最大限度地減少需要額外的設(shè)備，但外部電容器和電阻器。它同時實(shí)現(xiàn)了高效率的脈沖頻率調(diào)制(PFM)升壓充電器和納米供電的降壓轉(zhuǎn)換器，使其成為理想的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)格的功率和運(yùn)營需求。見下圖2：

圖2：TI的bq25570能量收集電源管理IC，具有升壓充電器和納米功率降壓轉(zhuǎn)換器的功能圖。它可以用于與各種高阻抗能量采集源，包括光生伏打(太陽能)，熱發(fā)電機(jī)(TEGs)和，通過加入一個AC / DC整流器，壓電發(fā)生器。冷，設(shè)備的DC / DC升壓轉(zhuǎn)換器/充電器最少需要330毫伏。這是假設(shè)輸入源提供至少5μW典型，并在升壓轉(zhuǎn)換器輸出的負(fù)載小于1微安的泄漏電流(包括存儲元件的漏電流)。然而，一旦操作和升壓轉(zhuǎn)換器的輸出達(dá)到1.8V，該設(shè)備要求100毫伏，它可以從能量采集源中提取。降壓(降壓)轉(zhuǎn)換器需要的輸入功率升壓轉(zhuǎn)換器的輸出，步驟下來，并提供在輸出引腳調(diào)節(jié)電壓。它采用PFM控制方式來調(diào)節(jié)電壓接近設(shè)定由用戶編程電阻分壓器。電流通過電感由內(nèi)部電流檢測電路來控制。啟動從船模時間約為100毫秒，同時啟動從待機(jī)模式比較快，但是取決于輸出電容的大小。該bq25570可用于許多類型的存儲設(shè)備，包括電容器，超級電容器，鋰離子電池等化學(xué)電池。收割機(jī)，預(yù)計(jì)將提供至少足夠的電力來存儲元件完全充電而在系統(tǒng)處于低功率或睡眠模式。電池或電容器必須具有足夠的容量，以提供整個系統(tǒng)的負(fù)載，而能量收集器不工作。與100μF等效電容存儲元件需要過濾PFM開關(guān)充電器的脈沖電流。 TI的用戶指南解釋一個電池和超級電容器之間的主要區(qū)別在于，該電池具有低于一定電壓很少或沒有容量，而超級電容器意愿。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員警告說，兩者都可以有，將出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出直流負(fù)載顯著的漏電流。最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)被實(shí)現(xiàn)以提取和管理的最大功率可以從光伏電池(70至80%)和TEGs(50%)。對于電池供電設(shè)備的有效管理必不可少的其他功能還包括電池過壓和欠壓保護(hù)，自動熱關(guān)機(jī)可充電鋰離子電池。精確監(jiān)控電池狀態(tài)是另一個重要的功能，與以觸發(fā)負(fù)載電流的降低應(yīng)該系統(tǒng)在輸入欠壓條件的危險的能力。

替代品和互補(bǔ)

具有類似的功能，但更低的靜態(tài)電流為325 nA的，TI提供了bq25504與bq25505。這些器件具有一個獨(dú)立的電源多路轉(zhuǎn)換器的柵極驅(qū)動，一旦開始，可實(shí)現(xiàn)從能源采集源和原電池系統(tǒng)的運(yùn)行，保證恒功率是在需要時可用，即使沒有能量可以從收割機(jī)。非常低的靜態(tài)電流是很重要的，當(dāng)系統(tǒng)包含無法完全關(guān)閉，從而延長電池壽命的設(shè)備。如果尺寸和重量是一個問題，那么TI建議一個更小，功耗更低線性電池充電器專為單節(jié)鋰離子紐扣電池，該bq25100。尺寸僅為0.9×1.6毫米WCSP封裝，設(shè)備支持的輸入電壓高達(dá)30V，并允許精確控制快速充電電流從最低為10 mA至250 mA的電流?；パa(bǔ)器件中，TPS82740A和TPS8274B降壓轉(zhuǎn)換器模塊支持200個mA的輸出電流用95%的轉(zhuǎn)換效率并消耗只是360 nA的操作的靜態(tài)電流，70 nA的待機(jī)模式。的6.7平方毫米的包并入切換調(diào)節(jié)器，電感器和I / O電容器。通過將所有必要的無源器件，該器件據(jù)稱是不是替代分立解決方案小75%。該TPS82740A是針對非常低的電壓應(yīng)用，而TPS8274B具有的整合低功耗微控制器，如TI的MSP430系列系統(tǒng)的電源管理“DCS控制”功能。

結(jié)論

選擇合適的電源管理IC，用于便攜式應(yīng)用程序利用能量采集需要仔細(xì)考慮系統(tǒng)的電力需求，能源生產(chǎn)潛力和能量存儲容量。在功率范圍的下端，用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)，例如，或其中TEGs產(chǎn)生非常少量的能量，裝置的選擇是有限的。其中，小尺寸和輕重量是最重要的，一個更高度集成的器件，如本文中所強(qiáng)調(diào)，可提供最佳的解決方案。