您的能量收集應用是否使用具有高電壓和電流的大型太陽能電池板，或者更常見的情況是，必須使用來自各種其他環(huán)境能源的微量電力，有一點幾乎可以肯定：某種類型的能源存儲在船上，無論是小型可充電鋰離子電池，超級電容器還是固態(tài)儲能技術(shù)。

對于工程師而言，這意味著我們不僅需要設計電路來收集和轉(zhuǎn)換環(huán)境能量，而且我們還必須包括能量收集接口（和保護電路）以及充電控制器。

本文著眼于單芯片能量收集設備，它也提供某種形式的電荷控制。它討論了提取能量的不同條件，以及試圖將功率從周圍環(huán)境中擠出時的預期。最后，本文將介紹一些典型的小型低功耗能量采集設計的集成解決方案。

睡眠和啟動

低功耗內(nèi)存和微型計算機可以長時間閑置和睡眠，僅繪制毫微安培。在睡眠周期期間，所采用的能量收集技術(shù)應提供比睡眠電路所需的更多功率。當累積足夠的多余能量來做一些有用的事情時，例如給電容器或電池充電，微型電腦就會被喚醒。

在某些情況下，手頭任務所需的能量很容易確定。例如，圖1顯示了一個采樣應用，其中無線低功耗傳感器每隔一段時間喚醒，讀取一次，發(fā)送它，然后再回到睡眠狀態(tài)。它可以編程為從環(huán)境中緩慢吸取微安，以維持電容器或電池的充電。

圖1：對于數(shù)據(jù)記錄等定時間隔采樣應用，可以通過降低采樣率來設置能耗。如果需要事件檢測并且采樣率太高，則可能會消耗太多能量。在這里，基于事件或閾值的喚醒是理想的，對收獲工作的需求減少。

事件驅(qū)動的設計比較棘手。如果需要快速響應事件，則需要更頻繁地喚醒微觀以確保必要的響應時間。它醒來的次數(shù)越多，燃燒的能量越多，對收獲系統(tǒng)和蓄電池的需求就越大。

在這種情況下，為了節(jié)省能量，而不是上述的輪詢技術(shù)，中斷技術(shù)允許更長的睡眠時間，從而節(jié)省更多能量。今天許多微型計算機具有閾值和事件檢測功能，讓微型保持睡眠狀態(tài)直到事件發(fā)生。通過巧妙的設計，可以減少對收割機的需求。

總的來說，能量采集器不僅需要收集能量，他們還需要調(diào)節(jié)能量并將其計量到電池和手邊的電路中。一個有效的設計來自Maxim及其MAX17710能量收集管理器IC（圖2）。

圖2：MAX17710有兩個輸入，針對低阻抗和高阻抗能源進行了優(yōu)化，如太陽能，壓電，射頻或熱電。此外，可調(diào)節(jié)和未調(diào)節(jié)的輸出可用于實時能量需求。

注意圖2中的兩個輸入;一個用于高壓源，如基于壓電或感應RF的耦合輸入，另一個用于低壓，高電流源，如太陽能電池。 IC內(nèi)部還有鋰電池和充電器過壓分流電路的欠壓保護。在任何一種情況下，電池保護都可確保它不會過充電并縮短其使用壽命。

該器件內(nèi)置升壓穩(wěn)壓器，具有升壓啟動電路，可將電壓降至0.75 V（圖3）。這允許從例如遮蔽或暴露于逐漸減小的光水平的太陽能電池板延長能量收集。內(nèi)部低壓差穩(wěn)壓器具有3.3，2.3或1.8 V的可選穩(wěn)壓輸出電壓。還提供了非穩(wěn)壓輸出。有關(guān)更多信息，請參閱Infinite Power Solutions提供的太陽能薄膜電池充電器參考設計。

圖3：0.75 V輸入的升壓啟動在連續(xù)步驟中發(fā)生的時間少于8μs。

參考設計IC專為THINERGY?MEC系列電池而設計，同樣來自Infinite Power Solutions。這些可充電鋰電池4.1 V電池額定值為130μAh至2.2 mAh，高度僅為0.2 mm。當采用這種類型的單一來源合作伙伴關(guān)系時，您可以期待緊密耦合且精心設計的解決方案。 Infinite Power Solutions的兩個應用開發(fā)套件和一個感應濕度，光照水平和溫度的無線環(huán)境傳感器板提供進一步的設計幫助。

另一個值得注意的部分來自Benchmarq;德州儀器公司的一個部門。 BQ25504是一種能量采集接口芯片，可以從低輸入源（本例中為80 mV）持續(xù)獲取能量。它不是與一種特定的電池類型掛鉤，而是讓您使用外部電阻對欠壓和過壓電平進行編程，以便更容易地適應各種類型的電池（圖4）。滯后電平也可以編程，允許您定制BQ25504的輸出，以充電和控制各種電池或超級電容。

圖4：外部偏置電阻設置滯后和上下限電荷，因此bq25504單芯片采集電荷控制器可與各種電池和超級電容一起使用。

這部分的一些不錯的功能是一個電池良好的輸出引腳和一個信號，讓嵌入式微型知道即將出現(xiàn)功率損耗。此部件還可用作啟用或禁用系統(tǒng)負載的開關(guān)。 Benchmarq/TI提供用于測試和評估器件的評估板。它還提供能量收集產(chǎn)品培訓模塊的電源管理以及低功率升壓充電器的參考設計。

升級

一些通用開關(guān)電源設備具有足夠的靈活性，可直接針對能量收集應用。一個典型的例子是凌力爾特公司的LTC3105 DC/DC轉(zhuǎn)換器芯片，帶有計量輸出。作為Linear的能量收集電源產(chǎn)品的特色成員，它可以有效地從低至225 mV的電壓升壓，并從其內(nèi)部LDO提供6 mA輸出，專門用于低功耗嵌入式微處理器。

凌力爾特部件的一些優(yōu)點是寬輸入電壓范圍（0.225至5 V）和寬輸出充電電壓可調(diào)范圍（1.5至5.25 V）。它還具有電源良好輸出信號和1.4至5 V的可調(diào)節(jié)LDO輸出。此外，它還具有關(guān)斷引腳，可用作電源開關(guān)和溫度補償傳感器。

Key是它能夠設置功率點設置（使用外部電阻分壓器）。太陽能電池和熱電元件等能源設備具有最大功率輸送的最佳點。自動調(diào)節(jié)峰值電流限制，以將操作維持在最佳電壓水平并提取最多能量。

LT3015的文檔中介紹了幾種參考設計，包括單節(jié)光伏NiMH涓流充電器（圖5）。

圖5：各種參考設計和應用筆記均支持凌力爾特能量采集器部件，如此處所示的熱電發(fā)電機和單光電池NiMH充電器。

同一屋檐下的電池和充電控制器

Cymbet的一項有趣技術(shù)是其固態(tài)電池系列以及一系列能量收集和電荷控制芯片來支持它們。例如，CBC915能量處理器芯片能夠使用任何類型的能量收集格式來實現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。 CBC915還提供內(nèi)置溫度補償充電控制。

Cymbet提供有用的產(chǎn)品培訓模塊教程，介紹其固態(tài)電池和充電控制器以及能源管理和能量收集演示和評估套件，因此您可以低成本，低風險快速輕松地評估該技術(shù)。 TechZone文章“仔細研究能量收集：Cymbet能量收集開發(fā)套件”提供了對Cymbet開發(fā)套件的評論。

總之，能量收集有望使一類新的超低功耗和自供電設備成為現(xiàn)實。隨著能量存儲設備繼續(xù)提供更快的充電，更高的容量和更長的生命周期，可以期望更多的供應商提供電源管理IC以創(chuàng)建無縫的能量收集解決方案。