适用于能量采集应用的电源管理架构

过去几年，各大公司都做出了相当大的努力，目标是让一些持续供电和无电池型系统能够利用自然能工作。开发这种系统所需的关键集成电路 (IC) 是超低功耗微处理器、无线电器件和电源管理 IC。尽管我们在低功耗微处理器和无线电器件方面已经取得了相当大的进步，但适用于能源采集应用的一些电源管理 IC 只到最近才出现在市场上。本文将简单介绍一些可用自然能源，之后将详细讨论为这些能源选择 PMIC 时需要考虑的因素。

自然能电源广义上可划分为直流 (DC) 电源和交流 (AC) 电源。DC 电源包括采集自各种能源的采集能量，它们随光照强度和热梯度变化较慢，使用太阳能电池板和热电发电机。这些采集器的输出电压不必经过整流。AC 集成器包括使用压电材料、电磁发电机和整流天线，采集自振动和射频功率的能量。在用于为某个系统供电以前，必须对这些能源采集器的输出整流至某个 DC 电压。本文中，只有 DC 能源采集器被看作是利用这些能源的能量采集器，相比 AC 采集器，它更容易获得高输出。

图1一般能源采集系统结构图

图1 显示了能源采集系统的一般架构。该总系统由自然能电源、能量缓冲器（超级电容器/电池）、电源管理集成电路 (PMIC) 和系统负载组成。由于能源可用能量取决于随时间变化的环境条件，因此获取能源能量后存储于能量缓冲器。系统负载通过能量缓冲器供电驱动。这样做可让系统在没有可用自然能的情况下仍然能够正常工作。电源管理单元由一个 DC/DC 功率转换器（能源采集器接口经过优化）、电池管理电路、输出稳压器和冷启动单元组成。接下来，我们将逐一讨论这些模块的功能和设计考虑因素。

充电器

充电器的功能是从太阳能电池板或者 TEG 获取最大有效能量，然后将其传输至存储组件。充电器的主要考虑因素包括拓扑结构、效率、最大功率提取网络和复杂度。常见充电器拓扑包括线性压降 (LDO) 稳压器、降压转换器、增压转换器和升降压转换器。

使用太阳能电池板时，拓扑结构主要取决于太阳能电池板堆栈的输出电压。一般而言，单节电池太阳能板的输出为 0.5V。因此，对于单节电池和两节电池太阳能板的系统来说，要求使用一个增压转换器拓扑，因为镍氢电池和锂离子电池的电池电压一般大于 1.2V 和 3V。更多串联电池时，可以使用如二极管整流器、降压稳压器或者LDO等其它转换器。就热电发电机而言，输出电压范围为 10mV 到 500 mV。因此，使用热电发电机 (TEG) 时，我们主要选择增压转换器。串联堆叠许多TEG来获得更高的电压是可能的，这样便可以使用 LDO 或者降压稳压器。这种方案的缺点是存在较大的 TEG 堆栈串联阻抗。

图2 (a-b)、太阳能电池板和热电发电机模型

为了从太阳能电池板或者热电发电机获取最大功率，电池板或者 TEG 必须工作在其最大功率点。要理解能源采集器需在其最大功率点下工作的原因，请分别参见图2a 和图2b 所示太阳能电池板和 TEG 模型。可将太阳能电池板建模为一个反向偏置二极管，其提供寄生电容 (C_HRV) 并联电流。二极管的电流输出与光照强度成比例关系。热电发电机模型由一个与电阻器串联的电压源组成。电阻器模型和 TEG 内部阻抗取决于材料属性和 TEG 的体积。使用典型太阳能电池板和 TEG 时，图3 和图4 分别显示了电流对电压和功率对电压情况。您可以看到，就太阳能电池板而言，在约 80% 开路电压 (OCV) 时得到最大功率。类似地，就 TEG 而言，在50% OCV 时获得最大功率点。

根据图3 所示曲线图，可以很清楚地知道，需要一个接口电路来获得最大有效功率。最大功率提取电路动态地调节功率转换器的输入阻抗，以获得最大功率。在进行太阳能采集时，利用开路电压固定部分输入电压调节、短路电流固定部分输入电流调节等简单技术，或者使用一些基于微处理器的复杂技术，可以实现最大功率提取。

图3太阳能电池板的电压与电流以及电压与功率曲线图

图4热电发电机的电压与电流以及电压与功率曲线图

从 TEG 提取最大功率的一些技术包括动态改变 DC/DC 转换器开关频率，然后在 50% 开路电压对 DC/DC 转换器输入电压进行调节。在所有这些转换器中，输出电压都由能量缓冲器决定。

请注意，转换器拓扑结构的选择，是在设计复杂度、组件数目和效率之间进行权衡的一个过程。开关式转换器一般拥有比线性稳压器更好的效率，但代价是组件数目更多、设计更复杂且占用电路板空间更大。

电池管理电路

在能源采集系统中，能量缓冲器用于存储来自能源采集器的有效间歇性能量。之后，使用所存储的能量为系统供电。即使可用能源存在不连续的情况下，这种架构也可让总系统持续