由于需要更少的能源消耗，特別是在遠程無線傳感應用中，系統和電路設計人員正在尋求收集環境能源。然而，從這些收獲來源中獲取最大收益具有挑戰性，因為將其輸出與其他存儲，控制，處理，傳感和其他任務的輸入相匹配并非簡單的任務，并且因不同的應用而異。

輸出現代能量收集源，例如太陽能電池和熱電發電機（TEG），相對較小，在幾百μJ的能量范圍內。因此，必須首先收集并累積它，以便在典型的3 V電路中實際使用它。

需要存儲的能量取決于應用的使用情況和占空比，而儲存能量所需的時間取決于能源以及能量如何有效地傳遞到本地存儲設備。該存儲設備可以是電池存儲和備份，以及支持電子電路。典型的能量收集源，如電容器或紐扣電池（變體包括固態存儲薄膜器件，超級和超級電容器和緩沖器），通常只消耗幾μW。

太陽能電池應用程序，“冷”啟動可能是一個問題。定義為在所有電路長時間關閉后打開太陽能電池，冷啟動可以擱淺。電源管理控制器可以耗盡光伏電池的存儲輸出。在可能出現這種情況的情況下，建議使用專用備用電池。

或者，設計人員可以使用光伏電池的輸出為控制器供電。現在可以使用用于太陽能收集的低功耗控制器。與備用電池一起，這個解決方案是可取的。

在目前可用的收獲能源中，太陽能是最多產和最有希望的，具有更高的輸出功率密度。其他來源包括TEG用于使用塞貝克效應發電的熱梯度（差異），以及振動/運動和射頻能量（見表1）。

無論選擇何種能量收集技術，了解如何最大限度地將電力從該電源傳輸到存儲設備非常重要。這需要使用有效的最大功率點跟蹤（MPPT）算法將環境源阻抗與負載阻抗匹配。負載包括電源管理控制器和DC-DC轉換器。對于太陽能和TEG源，STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集評估套件提供了MPPT管理的一個很好的例子（圖1）。

圖1：STMicroelectronics的STEVAL-ISV021V1能量收集評估套件為太陽能電池和TEG應用提供了MPPT管理的一個很好的例子。 （資料來源：意法半導體）

該套件基于該公司的SPV1050超低功耗能量收集器和電池充電器。它說明了一個現代解決方案，該軟件圖形用戶界面（GUI）支持在任何溫度或輻照度條件下顯示MPPT和轉換效率（圖2）。

圖2：STEVAL-021V1的能量收集套件的MPPT精度和功率效率曲線是可選擇的GUI選項卡中的四個參數之一，顯示在連接的PC或筆記本電腦顯示屏上。 （來源：意法半導體）

在SPV1050本身中，傳輸晶體管在STORE和BATT引腳之間進行控制，并實現欠壓保護（UVP）和充電結束（EOC）保護閾值（圖3） ）。這些功能由兩個控制電壓VUVP和VEOC實現，可通過STORE和EOC引腳之間R4，R5和R6的電阻分區進行調節。

圖3：在STMicroelectronics的SPV1050超低功耗能量采集器和電池充電器中，傳輸晶體管在STORE和BATT引腳之間進行控制并實現兩者之下電壓保護（UVP）和充電結束（EOC）保護閾值。 （資料來源：意法半導體）

完整的能量收集電源管理系統是Maxim Integrated的MAX17710能量收集充電器和保護器（圖4）。

這款微型超薄（3） x 3 x 0.5 mm）采用UTDFN封裝的IC可在1μW至100 mW的寬范圍內為能量收集輸出充電和保護微功率存儲單元。它具有鋰電池欠壓保護和過壓短路保護功能，僅使用1 nA的待機電流。

圖4：小型MAX17710充電器和保護器IC Maxim Integrated是一個完整的儲能電池系統，提供欠壓和過壓保護。 （來源：Maxim Integrated）

當連接到FB引腳時，可以使用分壓電路來提高充電系統的充電效率，介于1.0和2.0 V之間（圖5）。 IC的升壓輸入LX引腳控制通過外部電路電感的電流驅動。由電阻R1和R2組成的分壓器允許FB引腳上的電壓在FBON和FBOFF之間正確轉換。這種情況發生在升壓過程中。

圖5：使用Maxim Integrated MAX17710充電器和保護器將充電系統的充電效率提高到1.0和2.0 V之間IC是由電阻R1和R2組成的分壓器網絡，允許FB引腳上的電壓在FBON和FBOFF之間正確轉換。這在增強過程中發生。 （來源：Maxim Integrated）

更復雜的控制

如果需要控制多個能量收集輸出和存儲設備，賽普拉斯半導體SAE101A能量收集電源管理IC適合賬單（圖6）。它通過開關控制進行操作，通過太陽能電池或主電池提供輸入功率選擇。

圖6：賽普拉斯半導體的SAE101A能量收集電源管理IC通過開關控制操作，通過太陽能電池或原電池提供輸入功率選擇。 （來源：賽普拉斯半導體公司）

IC將收集的能量存儲在輸出電容器上并接通來自開關電路的電源，同時電容器電壓在預設的最大和最小范圍內，為負載提供能量

SAE101A上的七個開關允許它使用兩個輸入電源工作，即太陽能電池電壓VDD和初級電壓VBAT。

圖7：賽普拉斯半導體SAE101A能量收集電源管理IC上的七個開關系列允許它使用兩個輸入電源工作，即太陽能電池電壓VDD和初級電壓VBAT。 （來源：賽普拉斯半導體公司）

監視VDD和VBAT引腳的電壓，并根據電壓狀態執行輸入電源的選擇控制。輸入電源（太陽能電池或原電池）暫時存儲在連接到器件VSTORE1引腳的電容中。當VSTORE1的電壓達到某個閾值或更高時，電源開關SWI連接VSTORE1和VOUT1。

該器件可用于與賽普拉斯半導體的EZ-BLE PRoC模塊配合使用的無線傳感器節點（圖8）。

圖8：賽普拉斯半導體的SAE101A電源管理IC和EZ-BLE PRoC模塊提供無線傳感器節點應用。 （來源：賽普拉斯半導體公司）

考慮應用

需要考慮的一個重要因素是能源需求變化的最終應用。這些包括家庭和建筑物的太陽能加熱，工廠維護和控制，汽車和醫療應用等等。更換電池和其他存儲設備的維護時間和頻率問題，更不用說成本，必須在不使用能量收集源的情況下，使用電池和/或115 VAC線路電源為電子電路供電。

上述無線傳感能力在電動機增殖并提供振動和熱梯度能源的工業環境中尤為重要。這種趨勢受到BLE（藍牙低能耗）協議的推動。

估計電動機所有權的總成本可能很大，即使使用電池，當你考慮能量時可以從那些馬達中收獲。實際上，用于收集能量的低壓增壓器模塊在市場上很容易獲得，并且可以設置用于無線傳感器網絡。