微型能源采集技术从实验走向实用

上述三种主流微能量采集来源都有几个共同之处。他们都通常产生不稳定电压，而并非目前电子电路仍广泛使用的 3.3V 稳定电压。此外，这三种技术所提供的都是间断电源，甚至有时根本就不能提供电源。因此，设计工程师需要使用电源转换器与混合能源系统来解决这些问题。

电源管理

这才是真正值得探讨的问题。重要的边界条件是，目前所讨论的大多数微型采集器能源技术所产生的输入电压均小于 0.5V。这么小的输出电压很难启动电源转换器的电路。此外，二次损耗会对转换效率产生影响。

在大多数情况下（但非所有情况下），不可采用我们熟悉的线性稳压器拓扑结构，因为线性稳压器只能使电压降低，因而更适合使用开关稳压器。通过切断输入信号，开关稳压器可以控制其幅度和频率。同时，开关拓扑结构也会消耗很少的电能。但从另一方面讲，开关稳压器会使信号频谱发生改变，并导致频率干扰。由于需要滤波对输出进行控制，采用这种方案会导致成本的上升。

对于工程设计人员来说，能量采集技术实现的设计环境与以往有很大不同。在传统的电源管理应用中，最节能的方法是采用高输入电压来启动，以便在小电流和低电能消耗的条件下完成转换。

然而，能量采集应用中输入电压一般比较低，因此设计工程师所面临的环境恰恰相反。在输入电压较低的情况下，若目标输出电源能确定，则要求电源管理电路在较大电流下运行。大电流导致电源转换器的尺寸增大，从而更难提高系统效率。
 
在输入电压不稳定且较低的情况下，实现低成本和低能耗滤波的基本方法有几种。当然，选择哪种方法需要权衡利弊。比如，采用较大的开关可以减少电阻损耗，但更大的开关会要求更大的开启电源，不过该开关可能无法提供。再比如，通过降低开关频率可以提高效率，但这要求使用较大的滤波器。

设计人员应记住的最重要的一点是，对于仅能产生几毫瓦功率的系统来说，管理电源所消耗的开销可能等于甚至大于系统所产生的。通常，像给MOSFET 栅极电容充电这样简单的任务可能消耗大量的电能。

在上述这些情况下，可以考虑使用电流源栅极充电，而不是电压源栅极冲电。这种方案的结果是，电路将变得更加复杂，但电能损耗和电路泄漏将得到更好的控制。

另外，也可以考虑使用一个以上的电源转换器。图 3 中所示的同步整流器电路虽不能提供稳定的电源，但它是对向另一个效率更高的电源转换器定期发送高功率猝发的电容进行充电的良好解决方案。另一个转换器负责处理应用电路所需的信号调节。

图 3. 同步整流器电路

在一些应用中，另一种栅极电荷操作（即使用电压源栅极电荷电路）可极大提高效率。这种方法可将电路中的几个晶体管从小到大进行排列（如图 4 所示）。

伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的电路也可以自动检测功耗，同时可采用适当尺寸和数量的晶体管来保持高效率。较高值的晶体管可用于高功率情况下使用。当系统以待机功率水平运行时，可采用较小的晶体管。图 4 中插入的图表显示了这种方案相对于不按晶体管尺寸优化方案的优势。

图 4. 晶体管宽度转换

在实施上述方案时应记住，设计最高效的转换器可产生最多能量的传统功率转换方式并不总是适用于微型能量采集。应将对整个系统的能量输出进行优化作为追求的目标。有时，这意味着设计方案并不以系统各部分均达到最高效率为目标。

对 IC 的判定选择

设计人员必须清楚其选择 IC 技术的含义。至少在潜意识中，每个人都意识到高级技术节点能生产出更高效率的半导体器件。在常规电路设计中，常常会忽视这种差别，因为亚微米器件的成本优势被认为超过其效率所带来的优势。再次重申，微型能量采集应用改变了规则。

比如，对于早期能量采集应用而言，伊利诺伊斯大学厄巴纳香槟分校设计的小型电源转换器通过采用 1.5 μm 工艺和 8 μm 电感器构建的 IC 可实现 53% 的效率。在考虑如何改进转换器时，对于采用不同工艺技术和电感器尺寸的各种组合可能达到的不同效率，设计小组进行了计算。

图 5 显示了计算结果。根据计算，最先进的技术组合（采用铜互连技术的 0.25 μm 工艺技术与 25 μm 感应器）可实现 81% 的效率。此外，图 5 中也显示了在哪些地方可避免损耗。

图 5. 高级 IC 可显著提升效率

应用的其它部分也需要采用高级技术的 IC，包括 MCU。例如，TI 的超低功耗MSP430 MCU 平台就是一个很好的例子，处于工作状态时其功耗仅为 160 微安／MHz，在待机状态下功耗还不足 500 纳安。此外，TI 提供的器件还可在紧凑的单芯片设计中将 TI 超低功耗 MCU