適用于能量采集應用的電源管理架構

根據圖 3 所示曲線(xiàn)圖，可以很清楚地知道，需要一個(gè)接口電路來(lái)獲得最大有效功率。最大功率提取電路動(dòng)態(tài)地調節功率轉換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進(jìn)行太陽(yáng)能采集時(shí)，利用開(kāi)路電壓固定部分輸入電壓調節、短路電流固定部分輸入電流調節等簡(jiǎn)單技術(shù)，或者使用一些基于微處理器的復雜技術(shù)，可以實(shí)現最大功率提取。

圖 3 太陽(yáng)能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線(xiàn)圖

圖 4 熱電發(fā)電機的電壓與電流以及電壓與功率曲線(xiàn)圖

從 TEG 提取最大功率的一些技術(shù)包括動(dòng)態(tài)改變 DC/DC 轉換器開(kāi)關(guān)頻率，然后在 50% 開(kāi)路電壓對 DC/DC 轉換器輸入電壓進(jìn)行調節。在所有這些轉換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉換器拓撲結構的選擇，是在設計復雜度、組件數目和效率之間進(jìn)行權衡的一個(gè)過(guò)程。開(kāi)關(guān)式轉換器一般擁有比線(xiàn)性穩壓器更好的效率，但代價(jià)是組件數目更多、設計更復雜且占用電路板空間更大。

電池管理電路
在能源采集系統中，能量緩沖器用于存儲來(lái)自能源采集器的有效間歇性能量。之后，使用所存儲的能量為系統供電。即使可用能源存在不連續的情況下，這種架構也可讓總系統持續工作。常用能量緩沖器包括各種化學(xué)物質(zhì)的可重復充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個(gè)主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進(jìn)行監控，確保該電壓在由欠電壓 (UV) 和過(guò)電壓 (OV) 閾值確定的安全工作區域內。其次，它對能量緩沖器的容量進(jìn)行監控，并為有效工作所需能量可用情況相關(guān)的負載提供指示。利用一些簡(jiǎn)單的技術(shù)，例如：能量緩沖器電壓監控或者使用電量計方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進(jìn)行測量，便可完成對電量的測量。當使用簡(jiǎn)單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時(shí)，我們可以實(shí)現一種被稱(chēng)作電力良好水平的用戶(hù)可編程中間電壓電平。

電池管理部分的設計考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復充電電池時(shí)，OV 和 UV 閾值基于電池的化學(xué)物質(zhì)組成。使用超級電容器時(shí)，OV 和 UV 閾值由 IC 和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設置，可以最大化系統的壽命。電池管理部分的另一個(gè)設計考慮因素是電池管理部分消耗的靜態(tài)電流。電池管理模塊電路包括基準、比較器和數字邏輯等基礎模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因為，電池管理部分使用的任何能量都會(huì )使電池漏電，并且這種能量并未提供給外部負載。

冷啟動(dòng)
冷啟動(dòng)單元是一種備選模塊，在典型能源采集 PMIC 中可有可無(wú)。冷啟動(dòng)單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時(shí)幫助系統啟動(dòng)。具體冷啟動(dòng)單元設計取決于不同的應用。就太陽(yáng)能應用而言，我們可以使用一個(gè)輸入驅動(dòng)型（相對于電池供電型）振蕩器來(lái)驅動(dòng)暫時(shí)低效的開(kāi)關(guān)式轉換器的開(kāi)關(guān)[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開(kāi)關(guān)式轉換器便可接管。就熱電發(fā)電機而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓撲或者利用系統的機械運動(dòng)，來(lái)實(shí)現冷啟動(dòng)單元[2,3]。這種模塊的設計考慮因素為最小啟動(dòng)電壓、啟動(dòng)功率、峰值浪涌電流和啟動(dòng)所需時(shí)間。

穩壓器
穩壓器的功能是對電池電壓進(jìn)行調節，以提供穩定的電壓。這種模塊的拓撲取決于電池、系統負載要求和靜態(tài)電流。

總結
本文中，我們討論了適用于 DC 能源采集應用的電源管理 IC 設計或者選擇過(guò)程中需要考慮的一些重要因素，包括每個(gè) IC 基礎模塊的設計考慮因素等。能源采集 PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在單塊 IC 上。PMIC 選擇取決于能源采集源、能量緩沖器和系統負載。