可穿戴電子設備的能量收集應用介紹

可穿戴電子設備的能量收集應用介紹

電子設計 發表於 2019-02-06 09:40:00

能量收集主要被視為一種供電方式，用於向那些無法接入電源或除電池以外亦需要補充電源的電子設備供電。 在許多情況下，使用能量收集的應用往往沒有足夠的空間來容納大體積的電池。 典型例子包括可穿戴技術，如健身小工具和健康監測設備，以及諸如環境或結構狀況監測應用中的無線傳感器節點。

通常情況下，從諸如太陽能、振動或溫差等環境能量源收集的能量，需要經過轉換、升壓和暫存後才能得到有效利用。 現如今，多家公司針對能量收集應用推出的電源轉換和電源管理集成電路日益增多。 但面臨的壓力使，要確保這些設備高度集成，以便於多功能操作，且尺寸要儘可能小。 毫無疑問，設備本身的功耗也要非常低。

本文將概述快速增長的可穿戴電子設備市場及其相關應用的微型化需求， 並討論最近推出的、帶集成降壓轉換器的 bq25570 升壓充電器，以及一系列類似的替代和互補部件。 本文將參考 TI 的用戶指南，闡述如何最有效地將該設備用於超低功耗、空間/重量受限的能量收集應用。

更多功能

如今，可輔助跟蹤記錄健身計劃、監測健康狀況並提供醫療服務的可穿戴設備日益增多。 正如多數可攜式設備一樣，隨著消費者預期的增長，此趨勢會促進設備功能的增多。 如果在心率監測器中集成 GPS 裝置，跟蹤記錄圈數或跑步路線，心率監測器必將更受青睞。 目前，現代可穿戴式健康監測設備除可監測心電圖反應外，還可監測血壓、體溫、血氧含量、心率和活動量。

圖 1：能量收集將會是許多可穿戴電子設備應用中的關鍵技術。

左：Sensoria 的智能襪，配備壓力傳感器，可通過藍牙與腳環進行通信，以幫助識別和改善跑步姿勢（腳跟著地/腳掌著地）。 其他傳感器則可追蹤記錄步數、速度、消耗卡路裡、高度和距離。

右：Fraunhofer Institute 研發的面向老年人群體的可穿戴式輔助設備，可提供服藥提醒、健康狀況監測和緊急援助呼叫等一系列可編程服務。

無線連接可便於設備傳輸和存儲收集到的數據，以供稍後分析。 無線傳感器網絡作為物聯網的一部分，在智能建築和環境監控等應用中必不可少，在這些應用中來自許多個傳感器的數據都要經過編譯。 正因為此，在智能手錶、生物特徵監測器、ID 標籤產品、傳感器節點和其他可穿戴式或遠程應用中，集成的傳感器、射頻電路和更精密的微控制器日益增多。

不過，此類多功能設備要想受到青睞，除需提供合理的電池續航時間外，還需要重量輕、體積小和穿戴舒適。 設計師們紛紛採用能量收集技術來有效利用體熱或腳步振動等環境能量，以為電池持續充電。 在某些設備（如植入設備）中，收集到的能量是唯一的能量來源。

因此，能量收集可被看作為一項可節省空間的實用技術，既可以替代電池，又可實現體積更小的可充電電池的應用。 對於任何由電池或收集的能量供電的設備而言，電源管理都非常重要。 通過功耗很低，且通常不規則的電源，來確保實現最佳性能和高效率運行，需要一定的準確度和精密度。 多家 IC 製造商紛紛瞄準這一市場，其中包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、STMicroelectronics 和 Texas Instruments。

相對於舊一代的電源而言，新一代電源的集成度更高，體積更小，功耗也更低。 理論上，設備會先獲取收集的能量，然後進行轉換和/或升壓，最後將其直接供給系統或可再充電的儲能設備。 某些設計會專用於一種類型的能量存儲設備，如超級電容器或鋰離子鈕扣電池。 也有另一些可支持多種能量存儲設備的設計。 同理，某些設計可能專用於一種形式的能量收集，也有另一些可支持多種形式能量收集的設計。

要注意的一個重點是不同應用所需要的啟動電壓。 有些應用的啟動電壓低至 20 mV，不過功能可能受限，需要額外的互補部件才能提供充分的電源管理。 集成度更高的部件可能總體尺寸更小，整體靜態電流更低，不過可能需要更高的啟動電壓，才能使其更加依靠最低水平的儲存能量來工作。 有些設備針對性很強，專用於超低功耗的傳感器節點。 其他設備將支持更高的輸入電壓水平，從而滿足基於微控制器設備的要求，不過對於能量收集應用而言，這些微型設備本身的功耗非常低。

重要的是，電源管理 IC 需要足夠靈活，能夠處理斷續供電情況和收集的能量（往往不穩定，且往往收集的量極低）。 系統設計中必須考慮到這一點，即擁有足夠的能量儲存容量，能夠在需要時提供恆定電力。 這很大程度上取決於傳感器的讀取頻率，以及數據的傳輸量和傳輸頻率。

集成度高

Texas Instruments 提供多種用於能量收集應用的超低功耗微型設備，包括電源管理 IC、無線連接和微控制器。 該公司最新推出的 bq25570 是高集成度的能量收集毫微功耗管理解決方案。 它符合採用能量收集技術的空間受限和功率受限應用的所有標準。

該設備體積小巧，採用 20 根引線的 3.5 x 3.5 mm QFN 封裝，超低功耗靜態電流為 488 nA（典型值），運送模式下為 《5 nA。 此外，還配有 bq25570EVM 評估模塊。 有關詳細的產品和應用信息，可參閱設備規格書¹ 和評估板用戶指南²。

該設備仍需要外部電容器和電阻器，但由於高度集成，故可最大限度減少對額外設備的需求。 該設備非常適用於針對具有苛刻功率和運行要求的無線傳感器網絡，實施高能效脈衝頻率調製 （PFM） 升壓充電器和毫微功耗降壓轉換器解決方案。 請參見下面的圖 2：

圖 2：TI 推出的 bq25570 能量收集電源管理 IC（帶升壓充電器和毫微功耗降壓轉換器）的功能示意圖。

該設備可與多種高阻抗能量收集源配合使用，包括光伏（太陽能）、熱電發電機 （TEG） 以及 AC/DC 整流器和壓電發電機。 從冷啟動狀態起，該設備的 DC/DC 升壓轉換器/充電器所需電壓最小值為 330 mV。 其假設依據為：輸入電源提供至少 5 µW（典型值），且升壓轉換器輸出的負載為低於1 µA 的漏電電流（含存儲元件漏電電流）。 不過，運行後升壓轉換器輸出電壓達到 1.8 V，此時設備所需的 100 mV 電壓可以從能量收集源獲取。

降壓轉換器先從升壓轉換器輸出獲得輸入功率，再進行降壓處理，最終為輸出引腳提供調節電壓。 降壓轉換器採用 PFM 控制來調節電壓，使之接近由用戶可編程的電阻分壓器設置的值。 通過電感器的電流由內部電流檢測電路控制。 從運送模式啟動的時間約為 100 ms， 從待機模式啟動的速度要更快，不過這取決於輸出電容器的尺寸。

bq25570 可與多種類型的存儲設備配合使用，包括電容器、超級電容器、鋰離子電池和其他化學電池。 當系統處於低功耗或休眠模式時，收集器將提供足夠電能來給存儲元件充電。 當能量收集器不在工作時，電池或電容器必須要有給整個系統負載供電的足夠電能。 需要等效電容 100 µF 的存儲元件，來過濾掉 PFM 開關式充電器的脈衝電流。

根據 TI 的用戶指南所述，電池與超級電容器之間的主要區別在於，電池中很少有，甚至沒有低於某一電壓的容量，而超級電容器中則有。 系統設計師需要注意的是，兩者都存在明顯的漏電電流，相當於升壓轉換器輸出上有個 DC 負載。

最大功率點跟蹤 （MPPT） 是指從光伏電池（70 至 80%）和 TEG （50%） 獲取儘可能最多的電能並進行管理。 電池供電設備高能效管理必不可少的其他功能包括：電池過壓和欠壓保護、可充電鋰離子電池的自動熱關斷。 對電池狀態的準確監控是另一個重要功能，如果系統可能進入欠壓狀態，則還需要觸發負載電流下降功能。

替代設備和補充設備

TI 推出的 bq25504 和 bq25505 功能相似，但靜態電流均低於 325 nA。 這兩種設備配備的自主電源多路復用器柵極驅動器，一旦啟動，可讓系統從能量收集源和一次電池獲取能量運作，確保在需要時提供恆定功率，即使在收集器無可用能量時也能正常運作。 當系統中包含有無法完全關閉的設備時，超低的靜態電流就顯得十分重要，這樣可以延長電池的續航時間。

如果尺寸和重量成問題，那麼 TI 推薦 bq25100，這是一款體積更小、功率更低的線性電池充電器，特別適用於單節鋰離子鈕扣電池。 該裝置採用 0.9 x 1.6 mm WCSP 封裝，支持高達 30 V 的輸入電壓，允許對快速充電電流準確控制在 10 mA 至 250 mA 範圍內。

互補設備 TPS82740A 和 TPS8274B 降壓轉換器模塊支持 200 mA 的輸出電流，轉換效率高達 95%，運行時消耗的靜態電流僅為 360 nA，待機模式時為 70 nA。 6.7 mm² 的封裝容納了開關穩壓器、電感器和 I/O 電容器。 通過集成所有必需的無源器件，該設備的體積要比同類分立解決方案小 75%。 TPS82740A 面向的是超低壓應用，TPS8274B 則擁有「DCS 控制」功能，適用於集成了低功耗微控制器的系統進行電源管理，例如 TI 的 MSP430 系列。

結論

為利用能量收集技術的可攜式應用選擇合適的電源管理 IC，需要仔細考慮系統的電源需求、能量生成潛力和能量存儲容量。 在功率範圍的較低端（如無線傳感器節點），或者如果 TEG 產生的能量非常少，設備的選擇更加有限。 如果小尺寸和輕重量是最優先考慮的事項，那麼選擇集成度更高的設備，例如本文中重點提到的幾種，或許可以提供最佳解決方案。

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