能量收集主要被視為一種供電方式，用於為需要外接電源或電池以外的電子設備供電。 在許多情況下，使用能量收集的應用程序通常沒有足夠的空間來容納大容量。 典型的例子包括可穿戴技術，如健身小工具和健康監測設備，以及無線傳感器節點，如環境或結構狀態監測應用。
通常，從太陽能、振動或溫差等環境能源中收集的能量，需要經過過渡、升壓、暫存後才能得到有效利用。 如今，推出的能量採集應用程序和電源管理集成電路的公司越來越多。 但面臨的壓力是，要確保這些設備高度集成以方便多功能操作，並且尺寸應盡可能小。 毫無疑問，設備本身的功耗是非常低的。
本文將概述快速可穿戴電子設備市場及其相關應用的小型化需求，並討論近期具有集成降壓轉換器的 BQ25570 升壓充電器以及一系列類似的替代品和補充組件。 本文將參考 TI 的用戶指南，解釋如何有效地使用該器件來超越低功耗、空間/重量限制。
更多功能今天，越來越多的可穿戴設備可以跟踪健身計劃以監測健康狀況並提供醫療條件和提供醫療服務。 與大多數便攜式設備一樣，這一趨勢將推動消費者期望的設備功能增加。 如果GPS設備集成在心率監測器中，跟踪記錄環數或跑步路線，心率監測器會更受青睞。 目前，現代可穿戴健康監測設備可以監測血壓、體溫、血氧含量、心率和活動。
圖 1：能量收集將成為許多可穿戴電子設備應用中的關鍵技術。
左圖：Sensoria 的智能襪子，配備壓力傳感器，可以通過藍牙與腳環通信，幫助識別和改善跑步姿勢（腳跟/腳）。 其他傳感器可以跟踪記錄、速度、消耗卡路里、高度和距離。
右圖：弗勞恩霍夫研究所研發的老年群體可穿戴輔助設備，可提供服藥提醒、健康監測和緊急求助電話等一系列可編程服務。
無線連接可以輕鬆傳輸和存儲收集的數據以供以後分析。 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測等應用中必不可少，並且必須編譯來自這些應用中的許多傳感器的數據。 因此，集成傳感器、射頻電路和更精確的微控制器越來越多地用於智能手錶、生物識別監視器、ID 標籤產品、傳感器節點和其他可穿戴或遠程應用。
不過，這樣的多功能設備應該受到青睞，除了合理的續航，還要求重量輕、體積小、舒適度高。 設計者利用能量收集技術，有效利用體溫或腳步聲等環境能量，讓電池持續充電。 在某些設備（如植入設備）中，收集到的能量是唯一的能源。
因此，能量收集可以看作是一種可以替代電池的空間實用技術，可以實現更小體積的可充電電池。 對於任何由電池供電或提供能量的設備，電源管理非常重要。 為了通過高功耗確保最佳性能和高效運行，通常是不規則的電源，需要一定的準確性和精度。 許多 IC 製造商都瞄準了這個市場，包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、StMicroelectronics 和 Texas Instruments。
相比老一代電源，新一代電源更高，體積更小，功耗更低。 理論上，設備會得到由此產生的能量，然後進行轉換和/或升壓，最後直接提供給系統或可充電的儲能設備。 一些設計可以專用於某種類型的能量存儲設備，例如超級電容器或鋰離子按鈕。 還有其他設計支持多個能量存儲設備。 同樣，有些設計可能專用於某種形式的能量收集，還有其他設計支持多種形式的能量。
需要注意的一個重點是不同應用所需的啟動電壓。 一些應用開始到 20 mV，但功能可能受到限制，需要額外的補充組件來提供足夠的電源管理。 集成度高的元件可能體積更小，整體靜態電流更低，但可能需要更高的啟動電壓，使其更依賴於最低級別的存儲能量。 有些設備非常有針對性，專用於超低功耗傳感器節點。 其他器件將支持更高的輸入電壓電平以滿足基於微控制器設備的要求，但對於能量收集應用，這些微器件本身的電壓非常低。
電源管理 IC 需要足夠靈活以處理間歇性電源和收集的能量（通常不穩定，並且經常收集數量），這一點很重要。 這在系統設計中必須考慮，即足夠的儲能容量，可以在需要時提供恆定的電力。 這在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。
高集成度 Texas INSTRUMENTS 為能量收集應用提供各種超低功耗微型器件，包括電源管理 IC、無線連接和微控制器。 公司最新推出的BQ25570是一款高集成度能量採集的毫微微級電源管理解決方案。 它符合能量收集技術的所有標準和功率受限應用的所有標準。
該器件結構緊湊，採用 3.5 x 3.5 mm 的 20 引腳 QFN 封裝，超低功耗靜態電流為 488 NA（典型值），傳輸模式為。 1881.5 北美。 此外，還有一個 BQ25570EVM 評估模塊。 詳細的產品和應用信息，請參考設備規格和評估板用戶指南 2。
該器件仍然需要外部電容和電阻，但由於集成度高，可以最大限度地減少對額外設備的需求。 該設備非常適合具有苛刻功率和操作要求的無線傳感器網絡，可實現高能量脈衝頻率調製 (PFM) 升壓充電器和毫微微功率降壓轉換器解決方案。 參見下圖 2： 該設備可與多種高阻抗能量結合使用，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。 從冷啟動狀態開始，器件的 DC/DC 升壓轉換器/充電器的最低電壓最小值為 330 mV。 其假設基於：輸入電源提供至少 5 μW（典型值），負載轉換器輸出小於 1 μA 漏電流（包括存儲元件漏電流）。 但是升壓轉換器運行後輸出電壓達到1.8V，可以從能量採集源獲得設備所需的100MV電壓。
降壓轉換器首先從升壓轉換器輸出獲得輸入功率，然後進行降壓過程，最後為輸出引腳提供調整電壓。 降壓轉換器使用 PFM 控制來調整電壓，使其接近用戶可編程電阻分壓器設置的值。 通過電感的電流由內部電流檢測電路控制。 從交貨模式開始，時間大約為100 ms，從待機模式開始更快，但這取決於輸出電容的大小。
BQ25570 可用於各種存儲設備，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睡眠模式時，集電極將提供足夠的電能為存儲元件充電。 當能量收集器不工作時，電池或電容器必須有足夠的功率為整個系統負載供電。 需要一個等效電容 100 μF 存儲元件來過濾 PFM 開關充電器的脈衝電流。
根據TI的用戶指南，電池和超級電容器的主要區別在於電池中很少，甚至低於一定的電壓，並且有超級電容器。 系統設計人員需要注意存在顯著的漏電流，這相當於升壓轉換器輸出上的直流負載。
最大功率點跟踪 (MPPT) 是指光伏電池 (70 至 80%) 和 TEG (50%) 的最強大能量和管理。 電池供電設備高能效管理的其他功能包括：電池過壓和欠壓保護、可充電鋰離子電池的自動熱關機。 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，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 功能類似，但靜態電流小於 325 NA。 兩款器件均配備自主電源多用途多路復用器柵極驅動器，一旦啟動，系統即可從能量收集源和原電池中獲取能量，確保在需要時提供恆定功率，即使在收集器不可用的情況下也能也能正常工作。 當系統包含無法關閉時，超低靜態電流非常重要，可以延長電池壽命。
如果尺寸和重量有問題，TI推薦BQ25100，這是一款功率較低的線性電池充電器，特別適用於單個鋰離子按鈕。 該器件採用 0.9 x 1.6 mm WCSP 封裝，支持高達 30 V 的輸入電壓，可將快速充電電流精確控制在 10 mA 至 250 mA 範圍內。
配套設備 TPS82740A 和 TPS8274B 降壓轉換器模塊支持 200 mA 輸出電流，轉換效率高達 95%，消耗的靜態電流僅為 360 NA，70 NA 為 70 NA。 6.7 mm2 封裝包含一個開關穩壓器、一個電感器和一個 I/O 電容器。 通過集成所有必要的無源器件，器件的體積比相同的分立解決方案小 75%。 TPS82740A 是超低電壓應用，TPS8274B 具有“DCS 控制”功能，適用於電源管理，例如 Ti，例如 Ti。 MSP430 系列。
結語 要選擇能量收集技術的便攜式應用，選擇合適的電源管理IC，您需要仔細考慮系統的電源要求、能量生成潛力和能量存儲容量。 在功率範圍的低端（例如無線傳感器節點），或者如果 TEG 產生的能量非常小，則設備的選擇更加有限。 如果體積小、重量輕是最好的選擇，那麼選擇集成度更高的，比如本文中的幾個，也許是最好的解決方案。
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