微能量采集開啟無電池工作時(shí)代

能量無處不在，如太陽、電燈散發(fā)的光能，各種振動(dòng)產(chǎn)生的能量，人類運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的生物熱能，以及在我們周圍的空間中充斥著的各種頻段的電磁波所產(chǎn)生的能量。另一方面，在如今的一些消費(fèi)類、工業(yè)類、醫(yī)療類及汽車類的產(chǎn)品中，往往更大容量的電池并不適用，甚至沒有空間存放電池，更別說對(duì)電池進(jìn)行快速充電。例如，一些可穿戴設(shè)備、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備和傳感器網(wǎng)絡(luò)等，這些應(yīng)用難以獲得持續(xù)供電，只能從周圍環(huán)境或傳感器獲取能量?？梢哉f，它們其實(shí)沒有人為地供電，是一種無電池工作。因此，以微電源為輸入能源的解決方案將有很大的市場(chǎng)空間，而如何采集這些五花八門的微小能量并加以應(yīng)用成為新興課題。

近日，德州儀器（TI）推出了5款電源管理芯片bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 與TPS62736，可高效提取和管理從光源、熱源或機(jī)械能源采集的微瓦(uW) 至毫瓦(mW) 級(jí)電源，在開啟下一代能量采集的競(jìng)爭(zhēng)中先聲奪人。TI電池管理市場(chǎng)及應(yīng)用經(jīng)理文司華博士向記者詳細(xì)介紹了這幾款芯片的優(yōu)勢(shì)。

圖1TI電池管理市場(chǎng)及應(yīng)用經(jīng)理文司華博士

微電源的挑戰(zhàn)

文博士說：“我們處處需要系統(tǒng)級(jí)的電源方案，但最大的挑戰(zhàn)是，什么樣的電源才能適用于應(yīng)用場(chǎng)景，電源無疑是很重要的，在任何情況下有面向該應(yīng)用的最低功耗解決方案。TI提供的全套技術(shù)方案，包括電源管理和高精度的模擬IC，這是我們最大的專長(zhǎng)；此外，我們有非常低功耗的微控制器，低功耗的無線連接，包括Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙以及1個(gè)Sub-1 GHz集成的芯片。我們希望在能量采集概念范疇下，能從光、熱量、振動(dòng)、RF上去獲取能量，為控制器進(jìn)行供電。一個(gè)很大的挑戰(zhàn)擺在面前，一般的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如用在手持設(shè)備上的單節(jié)鋰電池，輸入電流在1 A左右，很少在50 mA以下，輸入電壓在1.8 V以下也比較少，一般都是3 V或2.5 V以上。而太陽能（10~10 000 uW/cm²）、熱量（25~1 000 uW/cm²）、振動(dòng)（50~250 uW/cm²）、RF（0.01~0.1 uW/cm²）的能量采集，它們所提供的電壓非常少，可能少于1 V，電流也是毫安級(jí)或微安級(jí)的。因此，能量采集技術(shù)的要點(diǎn)即最大的挑戰(zhàn)是能夠把這些輸入微電源收集起來，這就需要去研究拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和更深層次的芯片設(shè)計(jì)?！?/p>

能量采集技術(shù)高效使用流程如圖2所示。在采集完微能量之后，實(shí)際上還不能直接給終端產(chǎn)品供電，如無線電廣播ZigBee、藍(lán)牙、MCU，因?yàn)樽钌僖惨獛资蛏习傥布?jí)的功耗，所以還需要存儲(chǔ)元件，可以是鋰離子電池，也可以是薄膜電池或超級(jí)電容。這個(gè)存儲(chǔ)元件是必須的，因?yàn)樵诖蟛糠謺r(shí)間是在收集能量，少數(shù)時(shí)間是在發(fā)射能量或應(yīng)用能量，所以，需要將采集的微能量保存在存儲(chǔ)元件中，最終以一定的形式輸出并供電。

圖2能量采集技術(shù)高效使用流程

毫微級(jí)電源采集

TI 最新推出的集成降壓轉(zhuǎn)換器的升壓充電器bq25570工作電壓為120 mV~3 V，其不但靜態(tài)流耗極低，僅為488 nA，而且可在輸出電流低于10 uA的情況下實(shí)現(xiàn)超過90%的效率（這得益于其自耗電非常?。?，從而在供電量極低的情況下也能保持高效率，如圖3所示。相比之下，一個(gè)DC/DC 轉(zhuǎn)換器在10 mA的情況下效率一般為50%~60%，在重載或常載的情況下，如300 mA或500mA，會(huì)出現(xiàn)80%~90%的效率。bq25570不僅支持最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，可從光伏電池和熱電發(fā)生器提取和管理電源，而且還支持任何能源存儲(chǔ)元件，例如可充電式鋰離子電池、薄膜電池、超級(jí)電容器或常規(guī)電容器等。在長(zhǎng)期存儲(chǔ)期間，bq25570 供電可通過“運(yùn)送模式(ship mode)”特性禁用，使其流耗不足5 nA。

圖3bq25570仿真圖

bq25505升壓充電器與bq25570類似，但可實(shí)現(xiàn)低至325 nA的工作靜態(tài)電流。bq25505 采用獨(dú)特的自動(dòng)功率多路復(fù)用器柵極驅(qū)動(dòng)器，可通過能量采集電源與原電池實(shí)現(xiàn)無縫系統(tǒng)工作，可在長(zhǎng)時(shí)間黑暗或無能源時(shí)作為備用電池。

TI此次新推出的芯片還有針對(duì)300 mA輸出電流設(shè)計(jì)方案的最小、最低功耗的降壓轉(zhuǎn)換器TPS62740，其可在主動(dòng)工作狀態(tài)下支持360 nA的靜態(tài)電流，而待機(jī)狀態(tài)下靜態(tài)電流則為70 nA。這款轉(zhuǎn)換器可在低至10 uA的電流下實(shí)現(xiàn)超過90%的效率。對(duì)于更低電流設(shè)計(jì)而言，TI 針對(duì)200 mA設(shè)計(jì)方案的最新TPS62737轉(zhuǎn)換器以及針對(duì)50 mA設(shè)計(jì)方案的TPS62736可在主動(dòng)工作期間實(shí)現(xiàn)370 nA 的超低靜態(tài)電流，在睡眠模式下實(shí)現(xiàn)15 nA的靜態(tài)電流，而在輸出電流不足15 uA 的情況下也可實(shí)現(xiàn)90% 的效率。

文博士強(qiáng)調(diào)：“此次推出的芯片針對(duì)的應(yīng)用是低數(shù)據(jù)速率、低占空比的超低功耗設(shè)計(jì)，這樣才能可以讓芯片有充足的時(shí)間緩慢獲取太陽能或其他形式的能量。”從終端應(yīng)用角度看，智能家居、可穿戴設(shè)備、搖控器之類需要更長(zhǎng)電池使用壽命的設(shè)備，人體醫(yī)療上的植入設(shè)備、石油鉆井平臺(tái)和管道等難以觸及的設(shè)備，以及需要大量無線傳感器供電的環(huán)境感知應(yīng)用，這些都可以用到TI最新一代電源管理芯片。

微能源采集技術(shù)為無電池工作應(yīng)用所帶來的變革是顯而易見的，而這種技術(shù)究竟能做出多大貢獻(xiàn)，我們將拭目以待。