SPV1050：意法半导体新超低功耗高能效能量回收及充电器

摘要
今天的物联网(IoT)是由数量庞大的安装在人类极难接近地方的远程传感单元组成，为保证业务不中断，降低检修成本，这些传感单元必须智能管理能源，完全自主运行。这些要求表明，能量回收及充电设计必须保证转换能效极高，充电管理适当，尽可能从环境提取更多的电能送到电池，以最快的速度贮存电能，而且不会损坏电池或缩短电池续航时间。

为满足这些技术需求，意法半导体推出了一款微型封装或裸片的超低功耗直流-直流转换器芯片，该芯片可用于太阳能光伏(PV)板或热电发生器(TEG)，基于从能源提取电能优化技术的最大功率点追踪算法(MPPT)，内置一个能效极高的电源管理模块，能够给任何类型的电池快速充电，或为微控制器、收发器、传感器等周边配套芯片提供电能；适用于室内外工作条件和非常小的温度梯度。通过提升系统集成度和可靠性，同时大幅降低系统组件总体成本，SPV1050表现出了基于无线传感器网络(WSN)的工业应用的核心产品的全部重要特性，这些工业应用包括工业生产控制、工厂自动化、环境和气候/楼宇监视、智能照明以及手机配件、便携设备、医疗设备、健身穿戴装置等消费应用。

图1–SPV1050的目标应用

前言
SPV1050超低功耗高能效能量回收及充电器的最大输出功率约400mW，基于全桥全嵌入式DC-DC转换器，硬件可设为升压或降压转换模式，输入电压范围从75mV至18V，因此，适用于市场大多数热电发生器（低压高电流）和太阳能电池板（高压低电流），为使输入级阻抗与换能器输出阻抗匹配，还实现了一个高效的MPPT算法。

该功率点追踪算法根据环境变化条件实时更新最大功率点(MPP)，其工作原理是通常每16秒对输入电压进行一次采样和记录，然后将采样暂存在一个外部电容器内，因此，可以定期更新内部MOSFET的开关占空比，以跟随VMPP算法，即使是在辐照、度热梯度条件极易变化时也是如此。开始时，通过一个外部电阻器的分压器，根据电源参数和典型工作条件，用户可以设置MPP功率点，如需要，还可以关闭MPPT算法。

为防止充放电过量，内部高精度逻辑模块通过一个外部电阻器分压器监视电池电压，因为电池调整电压可以设定在2.6 V到5.3V范围内，可满足任何类型电池充电限制(液态锂电池、聚合物锂电池、超级电容电池、薄膜固态电池、镍氢电池)。同时，根据所用电池的技术和拓扑，欠压阈值可设在2.2V到3.6V之间，这两个阈压值均可精确设定，精度为±1%。

图2–SPV1050架构

SPV1050内置两个完全独立的低功耗LDO稳压器，输出电压分别为1.8V和3.3V。每个稳压器能够为负载提供最高200mA的电流，保证±0.5%的最大压降。一旦开启，只有当电池电压在Vuvp +5%和Veoc之间时，稳压器才会向负载释放电能。因此，任何负载都不会受到电池电量不稳或低电的影响。此外，两个低电平有效数字输出向主控制器报告电池是否在充电 (BATT_CHG)和逻辑电平传输晶体管(pass-transistor)开关是否闭合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN 5x5 20引脚封装和裸片两款产品，图2是框图。

SPV1050的工作原理

充电器
为保证电池的续航能力和整个系统的安全，SPV1050内部控制逻辑电路驱动STORE和 BATT两个引脚之间的逻辑电平传输晶体管，这样电池电压始终保持在欠压保护 (UVP)阈值和充电结束(EOC)阈值之间。在充电器第一次导通前，逻辑电平传输晶体管关断。在这种情况下，电池流出的电流只是技术性泄漏电流，电流值低于1nA。极低的电流消耗可延长"上架时间"，防止"启动前"电池放电。只要STORE引脚电压上升，则逻辑电平传输晶体管导通，EOC引脚上电压阈值被激活，只要电池充满电量，DC-DC转换器将会停止开关操作，直到VSTORE>VEOC-EOCHYS为止，一旦电压低于差值，转换器就会重新开始工作。同样，为避免过度放电，如果STORE引脚电压低于VUVP阈压，逻辑电平传输晶体管将会关断。通过在STORE、UVP和EOC引脚之间分配电阻，设置VUVP和VEOC两个阈压，即可实现这两项功能。

下图描述了在电池充电电压、输入电压不同的典型用例中，在环境温度下，直流-直流转换器升压模式的转换效率。

图3：SPV1050转换能效（升压模式）

电源管理器
实际上，SPV1050还是一个内置两个LDO稳压器的电源管理器，通过相关输出引脚提供1.8V 和3.3V稳压电源，根据每个稳压器向负载释放的电能功率，LDO稳压电源的电能可能来自能量回收电源或蓄电池。但是，若想要LDO提供任何大小的电流，需要连接电池，这就是说， STORE和BATT引脚之间的逻辑电平传输开关必须闭合。可选择开启每个LDO稳压器，或者向相关使能引脚馈入高电平有效信号来关闭每个LDO稳压器。