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能源採集應用的電源管理架構

時間:2013-03-13 15:00來源:德州儀器 作者:Karthik Kadirvel、Jo 點擊:

 

過去幾年各大公司持續致力於開發積體電路 (IC) 是超低功耗微處理器、無線電,以及電源管理 IC,讓持續供電和無電池型系統能夠利用環境能源運作,使低功耗微處理器及無線電方面有長足的進步。本文將簡單介紹可用的環境能源,並詳細探討為選擇 PMIC 時需要考量的因素。

 

環境能源電源廣義上可劃分為直流 (DC) 電源和交流 (AC) 電源。DC 電源包括透過太陽能面板和熱電發電機採集而得的能量,隨著光照強度和熱梯度而變化的速度較慢,採集器的輸出電壓不必經過整流。AC 採集器包括使用壓電材料、電磁發電機和整流天線,採集來自振動和射頻功率的能量。這些能源採集器的輸出必須整流為某個 DC 電壓,才可用於系統供電。本文僅將 DC 能源採集器視為利用這些能源的採集器,這種採集器比 AC 採集器更容易達到高輸出。

 
 


1: 一般能源採集系統的配置圖。

 

1 顯示能源採集系統的一般架構。整體系統包括環境能源電源、能量緩衝器 (超級電容/電池)、電源管理積體電路 (PMIC) 和系統負載。由於能源可用能量取決於隨時間變化的環境條件,因此獲取能源的能量後,將之儲存於能量緩衝器。系統負載由能量緩衝器供電驅動,即可讓系統在沒有可用環境能源的情況下,仍然能夠正常運作。電源管理單元包括能源採集器介面、最佳化 DC/DC 電源轉換器、電池管理電路、輸出穩壓器和冷開機裝置。以下將逐一探討這些區塊的功能和設計考量因素。

 

 

充電器

 

充電器的功能是從太陽能面板或TEG 獲取最大有效能量,然後將能量傳輸至儲存元件。充電器的主要考量因素包括拓樸結構、效率、最大電源汲取網路和複雜度。常見的充電器拓樸包括線性壓降 (LDO) 穩壓器、降壓轉換器、升壓轉換器和降壓升壓轉換器。

 

使用太陽能面板時,拓樸結構主要取決於太陽能面板堆疊的輸出電壓。單節電池太陽能板的輸出一般為 0.5V。因此,對於單節電池和兩節電池太陽能板的系統而言,必須使用升壓轉換器拓樸,因為鎳氫電池和鋰離子電池的電池電壓一般大於 1.2V 3V。串聯較多電池時,可以使用二極體整流器、降壓穩壓器或 LDO 之類的其他轉換器。對於熱電發電機而言,輸出電壓範圍為 10mV 500 mV。因此,使用熱電發電機 (TEG) 時,升壓轉換器是主要選擇的拓樸。串聯堆疊許多 TEG 可獲得更高的電壓,如此即可使用 LDO 或降壓穩壓器。這種機制的缺點是 TEG 堆疊的串聯阻抗相當大。



2(a-b):太陽能面板和熱電發電機的模型。

 

為了從太陽能面板或熱電發電機獲取最大電源,電池板或 TEG 必須在最大功率點運作。能源採集器必須在最大功率點運作的原因,如圖 2a 及圖 2b 太陽能面板和 TEG 模型所示。太陽能面板可建立模型為逆向偏壓二極體,以透過並聯的寄生電容 (CHRV) 提供電流。二極體的電流輸出與光照強度呈等比關係。熱電發電機的模型由電阻串聯的電壓來源組成。電阻模型和 TEG 內部阻抗取決於材料性質和 TEG 的體積。對於一般太陽能面板和 TEG 3 4 分別顯示電流對電壓與功率對電壓的相對情況。從中可看出,對於太陽能面板而言,在大約 80% 斷路電壓 (OCV) 時將得到最大電源。同樣地,對於 TEG 而言,在50% OCV 時將達到最大功率點。

 

根據3 所示的曲線圖,可以清楚看出需要介面電路才能獲得最大有效電源。汲取電路可動態調節電源轉換器的輸入阻抗,以獲得最大電源。進行太陽能採集時,利用斷路電壓固定部份的輸入電壓調節、短路電流固定部份的輸入電流調節等簡易技術,或使用以微處理器為基礎的複雜技術,即可汲取最大電源。

 


3:太陽能面板中電壓對電流與電壓對功率的相對比較。

 


4:熱電發電機中電壓對電流與電壓對功率的相對比較。

 

動態改變 DC/DC 轉換器切換頻率,以及在 50% 斷路電壓下調節 DC/DC 轉換器輸入電壓,可從 TEG 汲取最大電源。在所有這些轉換器中,輸出電壓均由能量緩衝器所決定。

 

必須注意的是,選擇轉換器拓樸結構時,必須在設計複雜度、元件數目和效率三者之間權衡取捨。切換式轉換器的效率一般高於線性穩壓器,但是元件數目較多,設計較複雜,而且佔用的電路板空間較大。

 

 

電池管理電路

 

在能源採集系統中,能量緩衝器用於儲存來自能源採集器的間歇性能量。儲存的能量即用於系統供電。雖然可用的能量屬於間歇性,但是這種架構仍然可以讓整體系統持續運作。常用的能量緩衝器包括各種化學材質的充電電池和超級電容。電池管理電路有兩個主要功能。首先,該電路可監控能量緩衝器的電壓,確保該電壓不超出由欠壓 (UV) 和過壓 (OV) 閾值所決定的安全運作區域。其次,該電路可監控能量緩衝器的容量,並為有效運作所需的能量的可用情況有關的負載提供指示。透過一些簡單的技術,例如監控能量緩衝器的電壓或使用電力量測,測量電池的輸入及輸出電壓與電流,便可測得電量。使用簡單的電壓技術來指示能量緩衝器剩餘電量時,可達到可程式中間電壓位準,該位準又被稱作良好電量標準。

 

電池管理部份的設計考量因素與所使用的能量緩衝器有關。使用充電電池時,OV UV 閾值取決於電池的化學材質。使用超級電容時,OV UV 閾值取決於 IC 和電容的絕對最大額定值下限。使用能量緩衝器的最佳設定,可以使系統達到最長使用時間。另一個設計考量因素是電池管理所耗用的靜態電流。電池管理區塊電路包括參考、比較器和數位邏輯等建置區塊。這些電路所耗用的電流必須減至最低。因為電池管理部份所使用的任何能量都會造成電池漏電,而且這些能量並未提供給外部負載。

 

冷啟動

 

冷啟動裝置是一個選用區塊,在一般能源採集 PMIC 中扮演可有可無的角色。其功能是在儲存元件所儲存的能量不足時將系統啟動。冷啟動裝置的設計取決於應用本身。對於太陽能應用而言,可使用輸入驅動型 (相對於電池供電型) 振盪器,驅動暫時性低效率切換式轉換器的開關 [1]。一旦能量緩衝器中蓄積足夠的能量,高效率切換式轉換器即可接續運作。對於熱電發電機而言,可使用變壓器耦合振盪器拓樸或系統的機械運動,執行冷啟動裝置 [23]。這種區塊的設計考量因素為最小啟動電壓、啟動功率、峰值流入電流,及啟動所需的時間。

 

穩壓器

 

穩壓器的功能是調節電池的電壓。此區塊的拓樸取決於電池、系統負載要求和靜態電流。

 

總結

 

文中探討在 DC 能源採集應用的電源管理 IC 設計或選擇過程中需要考量的重要因素,包括各個 IC 建置區塊的設計考量因素等。能源採集 PMIC 可以將部份或全部功能整合於單一 ICPMIC 的選擇取決於能源採集來源、能量緩衝器和系統負載。

 

References

lLow input voltage step-up converter in 6 pin SC-70 package,” (TPS61220), Data Sheet (SLVS776), Texas Instruments, Jan 2009.

l“A battery-less thermoelectric energy harvesting interface circuit with 35 mV startup voltage,” Yogesh Ramadass, Anantha Chandrakasan, IEEE Journal of Solid State Circuits, Jan 2011.

l“Design of a low input voltage converter for thermoelectric generators,” John Damaschke, IEEE Journal of Industrial Applications, Vol 3. No. 55. pp 1203 – 1208, 1997.

 

關於作者

 

 

 

l   Karthik Kadirvel 現任德州儀器奈米電源採集混合訊號設計工程師,本身擁有美國佛羅里達大學博士學位。

l   John Carpenter 現任德州儀器奈米電源採集部門系統工程師,本身擁有美國南佛羅里達大學碩士學位。

l   Brian Lum-Shue-Chan 現任德州儀器電池管理事業部設計經理,本身擁有美國喬治亞州亞特蘭大市喬治亞理工學院電機工程學士與碩士學位。

(責任編輯:jane)
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