背景信息

便攜式電源應(yīng)用多種多樣，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。產(chǎn)品從平均功耗在微瓦量級(jí)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 到采用數(shù)百瓦-時(shí)電池組的推車(chē)式醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)有盡有。不過(guò)，盡管應(yīng)用多種多樣，仍然能夠總結(jié)出幾種趨勢(shì)：設(shè)計(jì)師繼續(xù)要求產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能；用任何可用電源給電池充電。第一種趨勢(shì)要求增大電池容量。不幸的是，用戶常常不夠耐心，不能容忍充電時(shí)間太長(zhǎng)，所以容量增大的同時(shí)，充電時(shí)間必須仍然保持合理，這就導(dǎo)致充電電流增大。第二種趨勢(shì)要求電池充電解決方案具有極大的靈活性。本文將詳盡地探討這些問(wèn)題。
看一下新式手持式設(shè)備，面向消費(fèi)者的設(shè)備和工業(yè)設(shè)備都有可能包含蜂窩手機(jī)調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙模塊、大型背光照明顯示器等等。很多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)與蜂窩手機(jī)類(lèi)似。一般情況下，3.7V 鋰離子電池用作主電源，因?yàn)檫@類(lèi)電池的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/m3) 能量密度很大。過(guò)去，很多高功率設(shè)備采用 7.4V 鋰離子電池以降低電流要求，但是隨著低價(jià) 5V 電源管理 IC 的上市，越來(lái)越多的手持式設(shè)備采用了更低電壓架構(gòu)。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)。一個(gè)典型的平板電腦具有很多功能，同時(shí)采用非常大 (就便攜式設(shè)備而言) 的顯示屏。用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達(dá)到數(shù)千毫安-時(shí)，例如 2200mAh。為了在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成這種電池的充電，需要數(shù)千毫安充電電流。
然而，充電電流這么大的同時(shí)，如果大電流交流適配器不可用，消費(fèi)者還可能要求用 USB 端口給大功率設(shè)備充電。為了滿足這些要求，在交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能夠以大電流 (>2A) 充電，但是仍然能夠高效地利用 USB 提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護(hù)敏感的下游低壓組件，使其避免過(guò)壓事件導(dǎo)致的損壞，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)到負(fù)載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這就為電池 IC 制造商帶來(lái)了極好的機(jī)會(huì)，他們可以開(kāi)發(fā)安全管理電池充電算法、監(jiān)視關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的 IC。
在電源應(yīng)用領(lǐng)域的另一端，是能量收集系統(tǒng)的毫微功率轉(zhuǎn)換要求，例如 WSN 中常見(jiàn)的能量收集系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)必須使用電源轉(zhuǎn)換 IC，以處理非常低的功率和電流，可能分別為數(shù)十微瓦和數(shù)十納安。

能量收集 WSN

我們周?chē)写罅凯h(huán)境能源，傳統(tǒng)的能量收集方法一直采用太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力發(fā)電機(jī)。不過(guò)，新的收集工具允許我們用種類(lèi)繁多的環(huán)境能源產(chǎn)生電能。此外，重要的不是電路的能量轉(zhuǎn)換效率，而較重要的是用來(lái)供電之“平均收集得到的”能量。例如，熱電發(fā)生器將熱量轉(zhuǎn)換成電力，壓電組件轉(zhuǎn)換機(jī)械振動(dòng)，光伏組件轉(zhuǎn)換太陽(yáng)光 (或任何光源)，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生電流的組件將潮氣轉(zhuǎn)換成電能。這樣就有可能給遠(yuǎn)程傳感器供電，或者給電容器或薄膜電池等儲(chǔ)能器件充電，以便微處理器或發(fā)送器能夠無(wú)需本地電源而接受遠(yuǎn)程供電。

一般而言，能進(jìn)入并用于非傳統(tǒng)能源市場(chǎng)的 IC 所必需的性能和特性包括以下各項(xiàng)：

 低備用靜態(tài)電流，典型值低于 6µA，可低至 450nA

低啟動(dòng)電壓，低至 20mV

接受高輸入電壓的能力，高達(dá) 34V 連續(xù)電壓和 40V 瞬態(tài)電壓

 能夠處理 AC 輸入

 多輸出能力和自主系統(tǒng)電源管理

自動(dòng)極性運(yùn)行

 針對(duì)太陽(yáng)能輸入的最大功率點(diǎn)控制 (MPPC)

 能夠從低至 1°C 的溫度變化中收集能量

 需要最少的外部組件，解決方案占板面積緊湊

WSN 基本上是一種自含式系統(tǒng)，由一些換能器組成，將環(huán)境能源轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，其后跟著的通常是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和管理器，以通過(guò)合適的電壓和電流給下游電子組件供電。下游電子組件包括微控制器、傳感器和收發(fā)器。

在實(shí)現(xiàn) WSN 時(shí)，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是：運(yùn)行這個(gè) WSN 需要多少功率？從概念上看，這似乎是一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，然而實(shí)際上，由于受到若干因素的影響，這是一個(gè)有點(diǎn)難以回答的問(wèn)題。例如，需要間隔多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次讀數(shù)？或者，更重要的是，數(shù)據(jù)包多大？需要傳送多遠(yuǎn)? 這是因?yàn)?，獲取一次傳感器讀數(shù)，系統(tǒng)所用能量約有 50% 是收發(fā)器消耗掉的。有若干種因素影響 WSN 能量收集系統(tǒng)的功耗特性。

當(dāng)然，能量收集電源提供的能量多少取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標(biāo)準(zhǔn)是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統(tǒng)的可用功率一般很低，隨時(shí)變化且不可預(yù)測(cè)，因此常常采用連接到收集器和輔助電力儲(chǔ)存器的混合架構(gòu)。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統(tǒng)的能源。輔助電力儲(chǔ)存器 (電池或電容器) 產(chǎn)生更大的輸出功率但儲(chǔ)存較少的能量，在需要時(shí)供電，除此之外定期接收來(lái)自收集器的電荷。因此，在沒(méi)有可從其收集能量的環(huán)境能源時(shí)，必須用輔助電力儲(chǔ)存器給 WSN 供電。當(dāng)然，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)師的角度來(lái)看，這進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，因?yàn)樗麄儸F(xiàn)在必須考慮，必須在輔助電力儲(chǔ)存器中儲(chǔ)存多少能量，才能補(bǔ)償環(huán)境能源的不足。究竟需要儲(chǔ)存多少能量，取決于幾個(gè)因素，包括：