城市是物聯網的完美環境。可以采用傳感器為許多不同的應用提供有用的數據，并且相對小的數據分組意味著可以折衷無線鏈路的比特率以降低功耗。這對于擁有數千甚至數百萬個節點的網絡至關重要。世界各地的項目正在研究從環境中獲取能量以為這些傳感器節點供電的方法。太陽能，熱能，振動甚至射頻能量都被評估為電源。

這與長距離廣域網（如蜂窩電話）不同，需要覆蓋可能跨越許多英里部署的傳感器。在這里，無線鏈路的能量需求通常會排除使用能量收集源。

相反，基于城市的節點可能會使用一系列不同的低功率無線協議，范圍從低于GHz的低頻電力遠程網絡（LPWAN）到2.4 GHz藍牙智能和ZigBee技術以及專有網狀網絡。

由于能量收集源具有可變的低電流，因此對電源有高度專業化的要求管理單元（PMU）為無線收發器，微控制器和傳感器提供電源。

盡管PMU集成度越來越高，但這種無線節點的能量收集電源的設計需要注意電容器和電感器可提供最佳功率。

ADI公司的ADP5091 PMU可用于轉換6μW至600 mW范圍內的直流電源，以應對光伏（PV）電池或熱能的變化用于無線傳感器的發生器（TEG）頌歌。這些設備為可充電鋰離子電池，薄膜電池，超級電容器或傳統電容器等存儲元件充電，為傳感器提供穩定的電流。這也可以提供收發器將數據發送到本地網關所需的更高功率。

設計的關鍵要素是內部冷啟動電路，以便穩壓器可以在輸入電壓下工作低至380 mV。冷啟動后，穩壓器可以處理0.08 V至3.3 V的輸入電壓范圍，另外150 mA穩壓輸出可通過圖1中的外部電阻分壓器或VID引腳進行編程。

圖1：ADP5091可以處理可變低能源，如光伏太陽能電池板和熱能發電機。

當與光伏電池一起使用時，控制器保持輸入電壓紋波在固定范圍內，以便在最有效的點保持穩定的DC-DC升壓轉換。動態感應模式允許從收割機中提取最高可能的能量，并具有可編程的最小操作閾值，以便在低輸入條件下快速關閉。

設備的充電控制功能保護可充電儲能，這是通過可編程充電終止電壓和關機放電電壓監測電池電壓來實現的。此外，可編程PGOOD標志監視SYS電壓。可選的主電池可以通過集成的電源路徑管理控制塊進行連接和管理，該控制塊可編程以從能量采集器，可充電電池和原電池電池切換電源。

開關模式同步升壓調節器，外部電感連接在VIN和SW引腳之間，工作在脈沖頻率調制（PFM）模式，將存儲在輸入電容器中的能量傳輸到連接到BAT引腳的儲能器。 MPPT控制環路調節MPPT引腳上采樣電平的VIN電壓，并通過CBP和AGND引腳存儲在電容上。

為了在寬輸入功率范圍內保持穩壓器的高效率，電流檢測電路采用內部抖動峰值電流限制來控制電感電流。如果BAT引腳電壓低于SETSD引腳設定的電池端子充電閾值，則主升壓調節器操作通過儲能控制器達到異步模式，或者如果BAT引腳電壓高于電池過充電閾值，則停止開關。 TERM引腳。當CBP引腳上的電壓降低到MINOP引腳上的電阻設置的閾值時，升壓調節器將禁用。此外，通過開路電壓采樣電路周期性地停止升壓，也可以通過將DIS_SW引腳驅動為高電平來暫時禁止升壓。

圖2： ADP5091引腳上的電容和電感值對于能量采集中的正確操作至關重要。

為了保護存儲元件免于過充電或過放電，存儲元件必須連接到BAT引腳和系統負載連接到圖2中的SYS引腳。該器件支持可充電電池，超級電容器和傳統電容器，并且需要具有100μF等效電容的存儲元件來過濾PFM開關轉換器的脈沖電流。當輸入源不再發電時，存儲元件容量必須提供整個系統負載。

如果存在高脈沖電流或存儲元件具有顯著阻抗，則可能需要將SYS電容從最小4.7μF增加，或者為BAT引腳添加額外電容以防止下垂SYS電壓。但是，增加SYS電容會使升壓調節器在啟動時在較低效率的冷啟動階段工作較長時間。如果應用程序無法接受較長的冷啟動時間，則可以將附加電容器與存儲元件平行放置。

升壓調節器還需要一個合適的電感才能正常工作。電感飽和電流必須至少比預期的峰值電感電流高30％，以及低串聯電阻（DCR）以保持高效率。升壓調節器旨在優化效率并控制開關，額定電感為22μH±20％。

對于泄漏電流敏感的能量收集應用，需要低泄漏電容作為任何泄漏來自電容器會降低效率，增加靜態電流，降低MPPT跟蹤算法的有效性，從而控制源阻抗。

連接到VIN引腳的電容（CIN）和PGND引腳存儲來自輸入源。建議最小值為10μF，但對于主電池，較大的電容有助于降低輸入電壓紋波并保持源電流穩定以延長電池壽命。

ADP5091在SYS引腳和PGND引腳之間使用兩個電容。至少4.7μF的低ESR陶瓷電容與高頻0.1μF旁路電容并聯，該電容應盡可能靠近SYS和PGND。

為了使無線傳感器盡可能小，該設備使用小型陶瓷電容器，但只要注意有效串聯電阻（ESR）值，就可以使用其他電容器。輸出電容的ESR會影響LDO控制環路的穩定性，建議最小電容為4.7μF，ESR為1Ω或更低，以提供穩定的輸出。

負載電流變化的瞬態響應也受輸出電容的影響。使用較大的輸出電容值可以改善穩壓輸出對負載電流大幅變化的瞬態響應。

存儲在CBP電容上的電壓由VIN引腳調節，對泄漏很敏感，因為保持時間約為16秒。當電容器電壓因泄漏而下降時，VIN調節電壓也會下降并影響MPPT的有效性。

評估板

圖3中的ADP5091-2-EVALZ演示板將電源管理器件與PV面板相結合，將室內光轉換為200至1000 lux至0.8 V電能。 ADP5091將輸入電壓從0.8 V升壓至3.5 V，并將能量存儲在超級電容器中。

圖3：評估板結合光伏太陽能具有ADP5091電源管理單元的單元并連接到無線傳感器網絡演示器。

這可直接插入ADI公司的無線傳感器網絡演示器，以連接到低功耗微控制器和sub-GHz遠程，低功耗收發器。

結論

電容器和電感器的選擇對于無線傳感器網絡的能量收集電源管理單元的高效運行至關重要。使用小型陶瓷電容器可以實現更小的傳感器節點，可以輕松放置在室內和室外以收集太陽能。這通過無線鏈接提供數據，作為整個智能城市物聯網的一部分。