環境能源可以提供幾乎連續的功率來運行超低功耗電路。然而，當環境源波動很大并且可能損害足夠的穩態功率時，備用電源可以使這些應用保持運行，甚至可以提供峰值功率突發所需的能量。使用可用的能量存儲設備和電源管理IC，工程師可以構建能量收集電路，即使環境功率暫時存在間隙或功耗間歇性峰值，也能夠更可靠地保持功能。

超低功耗IC使電路設計人員能夠在各種應用中利用能量收集技術。在最簡單的設計中，能量傳感器將環境能量轉換為足以為超低功耗ADC，DAC和MCU供電的水平。在無線傳感器等應用中，無線電操作會引入間歇性峰值功率需求（圖1）。即使持續時間最短的無線電突發，峰值功率要求也很容易超過低能量環境源的瞬時功率水平（表1）。

圖1：即使是功率最高的IC，無線通信也會在接收和發送操作期間增加大量功率需求（德州儀器提供）。

表1：主要環境源的典型采集功率（由Imec提供）。

除了無線應用中的電源突發外，當光源被阻擋，振動模式安靜或其他環境源暫時暫停時，環境供電設計可能會面臨停電期。在這些情況下，完全斷電需要序列重啟操作，以確保在能量收集子系統通電后應用電路以正確的功率水平啟動。實際上，當從缺乏所需環境源的長期存儲區域移除能量收集模塊時，任何能量收集設計都可能面臨這種情況。對于諸如無線傳感器之類的應用，期望可靠地提供接近連續的監測參數數據流，由于間歇性功率損耗而反復重新初始化設計的需要是不可接受的。

為了確保在峰值需求期間運行甚至間歇性地損失環境源，能量采集設計通常基于包括能量存儲和相關電源管理控制器的電力系統（圖2）。除了為每個系統組件提供專用設備外，集成設備還可根據能量收集為許多應用提供完整的解決方案。

圖2：對于由環境能量供電的典型無線傳感器設計，能量存儲和功率控制器是必要的補充，以支持無線子系統的峰值功率需求（圖片由瑞薩）。

薄膜鋰離子儲能裝置通常選用超級電容器，以滿足長期存儲需求;反過來，超級電容器非常適用于以高電流負載短脈沖為特征的應用。諸如Cymbet EnerChip?固態電池之類的薄膜存儲設備具有較低的自放電率，并在較大的放電周期內保持穩定的輸出電壓。

為了實現存儲設備的充電電路，設計人員可以使用保護設備，如凌力爾特公司的LTC4071，它提供充電和電池保護功能。 LTC4071專為能量收集等極低功耗應用而設計，可以從極低電流，間歇或連續充電電源為鋰離子電池充電。 LTC4071具有近零電流，低電池閉鎖斷開功能，可在電池電壓過低時將電路與電路斷開，從而保護電池免受過放電和潛在的無法修復的損壞。

Cymbet還在其EnerChip CC CBC3105中提供集成的充電和保護功能，該功能將電源管理電路與固態電池相結合（圖3）。在正常操作期間，EnerChip CC使用內部電荷泵為受控電壓充電。當主電源電壓低于用戶設定的閾值電壓時，器件將片上存儲器件輸出路由至VOUT。

圖3：Cymbet EnerChip CC將片上能量存儲與集成電源管理功能相結合，能夠支持多個固態電池（由Cymbet提供）。

為了向應用電路提供穩壓電源，工程師可以使用超低功耗低壓差（LDO）穩壓器（如ADI公司的ADP162）和欠壓檢測器等實現簡單的控制器（再次參見圖1）作為安森美半導體的NCP302控制器，它提供欠壓鎖定和過壓保護。通過將NCP302的輸出連接到ADP162的關斷引腳，工程師可以確保僅在電源電壓達到適當電平時才為負載供電。

凌力爾特公司的LTC3588-1為能量收集提供單芯片解決方案，LTC3588-1集成了用于從傳感器獲取能量的電路和電源管理電路，為負載提供穩壓輸出。使用Linear LTC4071進行電池保護，這些器件的組合簡化了帶有備用電源的能量收集應用的設計（圖4）。

圖4：凌力爾特公司LTC3588-1與Linear LTC4071電池保護器件配合使用，可提供完整的電池備份能量收集解決方案。這里，這些裝置被配置為使用壓電換能器來獲取振動能量（Courtesy of Linear Technology）。

德州儀器（TI）BQ25504等設備進一步簡化了能量采集設計中的備用電源的實施。 BQ25504專為能量采集應用而設計，結合了片上電池充電器和升壓轉換器，能夠從低壓電源中提取電能。該器件需要330 mV才能啟動升壓轉換器，但一旦啟動，它就可以從低至80 mV的輸入電壓中獲取能量。

同樣，Maxim Integrated MAX17710為低壓能量收集和電池管理提供集成解決方案。能夠從低至75 mV的電源獲取能量，只要輸入電壓超過存儲設備電壓，該設備就可以直接從環境源為存儲設備充電。當存儲電壓上升到規定閾值以上時，輸入線性穩壓器開啟以保護存儲設備免于過充電。當存儲設備放電至閾值電壓時，器件的欠壓鎖定（UVLO）功能會禁用輸出電壓調節器，斷開負載以保護存儲設備免于過放電（圖5）。

圖5：Maxim Integrated Products的MAX17710等集成能量采集器件提供電池保護功能，可斷開負載以保護存儲設備免受過放電的影響（圖片由Maxim Integrated Products）。

結論

電源備份有助于確保從環境源供電的電路的長期功能，這些電路的能量輸出可能差異很大。對于諸如無線傳感器之類的設計，其間歇性峰值功率要求超過這些源的穩態功率輸出，備用電源對于正常操作至關重要。通過結合使用固態存儲設備和電池保護組件，設計人員可以輕松地為超低功耗能量采集設計添加電源備份功能。