SPV1050：意法半導體新超低功耗高能效能量回收及充電器

　　今天的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是由數量龐大的安裝在人類(lèi)極難接近地方的遠程傳感單元組成，為保證業(yè)務(wù)不中斷，降低檢修成本，這些傳感單元必須智能管理能源，完全自主運行。這些要求表明，能量回收及充電設計必須保證轉換能效極高，充電管理適當，盡可能從環(huán)境提取更多的電能送到電池，以最快的速度貯存電能，而且不會(huì )損壞電池或縮短電池續航時(shí)間。

　　為滿(mǎn)足這些技術(shù)需求，意法半導體推出了一款微型封裝或裸片的超低功耗直流-直流轉換器芯片，該芯片可用于太陽(yáng)能光伏(PV)板或熱電發(fā)生器(TEG)，基于從能源提取電能優(yōu)化技術(shù)的最大功率點(diǎn)追蹤算法(MPPT)，內置一個(gè)能效極高的電源管理模塊，能夠給任何類(lèi)型的電池快速充電，或為微控制器、收發(fā)器、傳感器等周邊配套芯片提供電能;適用于室內外工作條件和非常小的溫度梯度。通過(guò)提升系統集成度和可靠性，同時(shí)大幅降低系統組件總體成本，SPV1050表現出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN)的工業(yè)應用的核心產(chǎn)品的全部重要特性，這些工業(yè)應用包括工業(yè)生產(chǎn)控制、工廠(chǎng)自動(dòng)化、環(huán)境和氣候/樓宇監視、智能照明以及手機配件、便攜設備、醫療設備、健身穿戴裝置等消費應用。

　　圖1–SPV1050的目標應用

　　前言

　　SPV1050超低功耗高能效能量回收及充電器的最大輸出功率約400mW，基于全橋全嵌入式DC-DC轉換器，硬件可設為升壓或降壓轉換模式，輸入電壓范圍從75mV至18V，因此，適用于市場(chǎng)大多數熱電發(fā)生器(低壓高電流)和太陽(yáng)能電池板(高壓低電流)，為使輸入級阻抗與換能器輸出阻抗匹配，還實(shí)現了一個(gè)高效的MPPT算法。

　　該功率點(diǎn)追蹤算法根據環(huán)境變化條件實(shí)時(shí)更新最大功率點(diǎn)(MPP)，其工作原理是通常每16秒對輸入電壓進(jìn)行一次采樣和記錄，然后將采樣暫存在一個(gè)外部電容器內，因此，可以定期更新內部MOSFET的開(kāi)關(guān)占空比，以跟隨VMPP算法，即使是在輻照、度熱梯度條件極易變化時(shí)也是如此。開(kāi)始時(shí)，通過(guò)一個(gè)外部電阻器的分壓器，根據電源參數和典型工作條件，用戶(hù)可以設置MPP功率點(diǎn)，如需要，還可以關(guān)閉MPPT算法。

　　為防止充放電過(guò)量，內部高精度邏輯模塊通過(guò)一個(gè)外部電阻器分壓器監視電池電壓，因為電池調整電壓可以設定在2.6 V到5.3V范圍內，可滿(mǎn)足任何類(lèi)型電池充電限制(液態(tài)鋰電池、聚合物鋰電池、超級電容電池、薄膜固態(tài)電池、鎳氫電池)。同時(shí)，根據所用電池的技術(shù)和拓撲，欠壓閾值可設在2.2V到3.6V之間，這兩個(gè)閾壓值均可精確設定，精度為±1%。

　　圖2–SPV1050架構

　　SPV1050內置兩個(gè)完全獨立的低功耗LDO穩壓器，輸出電壓分別為1.8V和3.3V。每個(gè)穩壓器能夠為負載提供最高200mA的電流，保證±0.5%的最大壓降。一旦開(kāi)啟，只有當電池電壓在Vuvp +5%和Veoc之間時(shí)，穩壓器才會(huì )向負載釋放電能。因此，任何負載都不會(huì )受到電池電量不穩或低電的影響。此外，兩個(gè)低電平有效數字輸出向主控制器報告電池是否在充電 (BATT_CHG)和邏輯電平傳輸晶體管(pass-transistor)開(kāi)關(guān)是否閉合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN 5x5 20引腳封裝和裸片兩款產(chǎn)品，圖2是框圖。

　　SPV1050的工作原理

　　充電器

　　為保證電池的續航能力和整個(gè)系統的安全，SPV1050內部控制邏輯電路驅動(dòng)STORE和 BATT兩個(gè)引腳之間的邏輯電平傳輸晶體管，這樣電池電壓始終保持在欠壓保護 (UVP)閾值和充電結束(EOC)閾值之間。在充電器第一次導通前，邏輯電平傳輸晶體管關(guān)斷。在這種情況下，電池流出的電流只是技術(shù)性泄漏電流，電流值低于1nA。極低的電流消耗可延長(cháng)“上架時(shí)間”，防止“啟動(dòng)前”電池放電。只要STORE引腳電壓上升，則邏輯電平傳輸晶體管導通，EOC引腳上電壓閾值被激活，只要電池充滿(mǎn)電量，DC-DC轉換器將會(huì )停止開(kāi)關(guān)操作，直到VSTORE>VEOC-EOCHYS為止，一旦電壓低于差值，轉換器就會(huì )重新開(kāi)始工作。同樣，為避免過(guò)度放電，如果STORE引腳電壓低于VUVP閾壓，邏輯電平傳輸晶體管將會(huì )關(guān)斷。通過(guò)在STORE、UVP和EOC引腳之間分配電阻，設置VUVP和VEOC兩個(gè)閾壓，即可實(shí)現這兩項功能。

　　下圖描述了在電池充電電壓、輸入電壓不同的典型用例中，在環(huán)境溫度下，直流-直流轉換器升壓模式的轉換效率。

　　圖3：SPV1050轉換能效(升壓模式)

　　電源管理器

　　實(shí)際上，SPV1050還是一個(gè)內置兩個(gè)LDO穩壓器的電源管理器，通過(guò)相關(guān)輸出引腳提供1.8V 和3.3V穩壓電源，根據每個(gè)穩壓器向負載釋放的電能功率，LDO穩壓電源的電能可能來(lái)自能量回收電源或蓄電池。但是，若想要LDO提供任何大小的電流，需要連接電池，這就是說(shuō)， STORE和BATT引腳之間的邏輯電平傳輸開(kāi)關(guān)必須閉合?？蛇x擇開(kāi)啟每個(gè)LDO穩壓器，或者向相關(guān)使能引腳饋入高電平有效信號來(lái)關(guān)閉每個(gè)LDO穩壓器。

　　若想詳細了解SPV1050的工作原理和應用設置，請訪(fǎng)問(wèn)意法半導體網(wǎng)站上的產(chǎn)品數據手冊。

　　SPV1050的設計工具-評估板和參考設計

　　SPV1050評估板

　　SPV1050配有全套的評估板、演示板和參考設計工具，我們向初次接觸這款產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設計人員強烈推薦評估板。

　　STEVAL-ISV019V1(圖4)評估板讓用戶(hù)能夠使用SPV1050的全部功能，快速建立一個(gè)評估平臺，在一個(gè)實(shí)體設備上測試這款器件的性能。評估板包括正常運行所需全部無(wú)源器件，提供多個(gè)芯片電壓監視測量點(diǎn)，實(shí)現了升壓配置，讓?xiě)迷O計人員能夠快速發(fā)現最佳的系統配置，優(yōu)化SPV1050的工作點(diǎn)和能效，板載連接能量回收電源和電池的接口。該評估板是一個(gè)典型的采集太陽(yáng)能并轉換成電能(0.5 V ≤VMPP ≤ 2.5 V, 30 μA ≤ IMPP ≤ 20 mA)充入電池(3.7 V欠壓保護閾壓(UVP)和4.2 VEOC閾壓)的用例。只略加改動(dòng)應用組件，設計人員即可將任何類(lèi)型輸入電源(PV, TEG, USB等)與電池匹配，詳情參見(jiàn)應用筆記AN4394。

　　圖4：STEVAL-ISV019V1