太陽能采集為連接的傳感器，控制節(jié)點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和其他嵌入式應(yīng)用提供實(shí)用的解決方案。然而，很難從需要適應(yīng)這些應(yīng)用的小形狀因子的太陽能電池中提取足夠的能量。

與大型能量收集應(yīng)用不同，這些設(shè)計(jì)的能量收集通常會(huì)產(chǎn)生微量的能量。功率。設(shè)計(jì)人員在開發(fā)能夠以微瓦級(jí)別運(yùn)行的子系統(tǒng)時(shí)面臨著多重挑戰(zhàn)。但是，通過使用賽普拉斯半導(dǎo)體的電源管理IC（PMIC），工程師可以快速實(shí)現(xiàn)能夠在這些超低功率水平下工作的能量收集電源。

能量有限

By從環(huán)境能源中獲取能量，工程師可以創(chuàng)建無限期運(yùn)行而無需額外電源的設(shè)計(jì)。對于物聯(lián)網(wǎng)而言，這種方法對于過去完全依賴電池供電的小型無線系統(tǒng)尤其具有吸引力。使用能量收集，開發(fā)人員可以完全消除電池。對于更多功率密集型設(shè)計(jì)，能量收集可以大大延長電池壽命，大大消除了定期更換電池的需要。

在許多設(shè)計(jì)中，典型的太陽能收集系統(tǒng)需要大型太陽能電池或陣列來提供足夠的電力。然而，對于微型傳感器系統(tǒng)而言，大型太陽能電池由于需要緊湊的設(shè)計(jì)或目標(biāo)位置的有限安裝空間而不適用。

對較小的太陽能電池的需求進(jìn)一步使能量收集復(fù)雜化室內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。室內(nèi)光源產(chǎn)生非常小的照明水平，在典型的家庭中約為100至200勒克斯，在辦公室中為250至500勒克斯。即使是照明良好的區(qū)域，例如繪圖桌或工作室，也能提供比陽光照射水平低幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光照水平。

太陽能電池制造商已經(jīng)采用非晶硅等技術(shù)應(yīng)對室內(nèi)太陽能電池的需求。與傳統(tǒng)太陽能電池中使用的晶體硅不同，非晶硅具有不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其吸收比晶體結(jié)構(gòu)更多的光。這些專用材料構(gòu)成的太陽能電池，如松下Amorton系列產(chǎn)品，即使在極低的光照水平下也能發(fā)電（圖1）。

圖1：由熒光燈照明，設(shè)計(jì)用于室內(nèi)照明的太陽能電池在照明和輸出之間呈現(xiàn)出特征關(guān)系，如此處所示電流（Iope），短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）。 （圖片來源：Panasonic）

例如，松下Amorton AM-1801是一個(gè)53 x 25毫米的電池，在2.6伏特下產(chǎn)生4.60微安（μA），50勒克斯照明，在3.0伏特下產(chǎn)生18.5微安200勒克斯照明。這些器件用于其預(yù)期的室內(nèi)應(yīng)用，其輸出電流水平仍然低于設(shè)計(jì)用于戶外使用的太陽能電池所達(dá)到的數(shù)量級(jí)（圖2）。

圖2：由太陽能模擬器（SS）光源照明，設(shè)計(jì)用于室外的太陽能電池產(chǎn)生的電流輸出水平比使用室內(nèi)電池的室內(nèi)應(yīng)用高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。 （圖片來源：Panasonic）

對于設(shè)計(jì)師而言，這些專用電池的可用性為室內(nèi)照明提供能量收集設(shè)計(jì)提供了機(jī)會(huì)。困難仍然是創(chuàng)造能夠以與這些電池相關(guān)聯(lián)的微瓦功率水平操作的設(shè)計(jì)，其受限于它們在相對較差的室內(nèi)位置中的預(yù)期用途。雖然設(shè)計(jì)人員可以找到超低功耗的分立元件來構(gòu)建合適的能量收集解決方案，但很少有設(shè)計(jì)人員具備必要的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。幸運(yùn)的是，賽普拉斯半導(dǎo)體的能量收集PMIC的可用性允許開發(fā)人員僅使用少量支持組件將超低功耗能量收集添加到他們的設(shè)計(jì)中。

能量收集PMIC

賽普拉斯S6AE102A和S6AE103A能量收集PMIC集成了電壓控制電路，開關(guān)電路和邏輯，旨在優(yōu)化從太陽能電池或可選電池向負(fù)載供電（圖3）。該器件的輸入電路采用標(biāo)稱3.3伏單元輸入（或3.0伏電池輸入）工作，具有過壓保護(hù)（OVP）功能，可監(jiān)控太陽能電池的開路電壓，以保持正常工作。為了提供穩(wěn)定的輸出電壓，該器件包括一個(gè)低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。 LDO可在寬范圍的負(fù)載電流水平下將輸出調(diào)節(jié)至50毫伏（最大值）。 S6AE103A還包括一個(gè)獨(dú)立的比較器和定時(shí)器，用于更專業(yè)的能量收集設(shè)計(jì)。

圖3：賽普拉斯半導(dǎo)體S6AE102A和S6AE103A PMIC集成了從小型太陽能電池獲取能量所需的所有功能，并將設(shè)備輸出切換為如果收獲的能量低于最低水平，則為電池。 S6AE103A提供其他功能（* 1和* 2）。 （圖像來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

即使具有廣泛的功能，4 x 4毫米器件在基本工作模式下名義上僅消耗280納安（nA），在啟用LDO時(shí)需要另外200 nA。同樣重要的是，該設(shè)備只需要很少的啟動(dòng)功率，僅需1.2微瓦。因此，即使在由典型的室內(nèi)照明照明的室內(nèi)電池產(chǎn)生的非常低的功率水平下，該設(shè)備也可以開始工作。如果能量收集的電力不足，該設(shè)備使用其集成的電源開關(guān)控制塊來驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載來自電池電源（圖4）。

圖4：賽普拉斯S6AE102A和S6AE103A的這部分框圖側(cè)重于電源開關(guān)功能。片上開關(guān)從太陽能電池儲(chǔ)能電容器VSTORE1向系統(tǒng)負(fù)載供電，或者如果能量收集可用的功率低于最小值，則從硬幣電池供電。 （圖像來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

在工作期間，器件將采集的功率存儲(chǔ)在VSTORE1引腳的小型外部電容（最小100μF）上。在典型設(shè)計(jì)中，器件監(jiān)視單元輸入（VDD），電池輸入（VBAT）和VSTORE1，以確定它應(yīng)將哪個(gè)源連接到其輸出引腳VOUT1和VOUT2（圖5）。

圖5：PMIC電源門控控制系統(tǒng)將芯片的集成開關(guān)組合運(yùn)行，根據(jù)需要從能量收集系統(tǒng)或從電池到VOUT1和VOUT2的系統(tǒng)負(fù)載路由電源。 （圖像來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

最初，當(dāng)VSTORE1保持低于閾值時(shí)，器件將其開關(guān)設(shè)置為從VBAT驅(qū)動(dòng)VOUT1和VOUT2（圖5中的路徑S3），同時(shí)允許太陽能電池為VSTORE1充電（路徑S1）。當(dāng)太陽能電池輸入驅(qū)動(dòng)VSTORE1高于閾值時(shí)，設(shè)備將負(fù)載切換到VSTORE1（禁用路徑S3并啟用路徑S2）并打開SW2以斷開太陽能電池與VSTORE1（路徑S1）的連接。如果存儲(chǔ)在VSTORE1電容上的電源耗盡，器件會(huì)將VBAT重新連接到輸出（禁用路徑S2，同時(shí)啟用圖5中的路徑S3和S1）。

該器件還為器件提供了一種機(jī)制。儲(chǔ)存從太陽能電池中收集的多余能量。在這里，設(shè)計(jì)人員通常會(huì)在VSTORE2上放置一個(gè)超級(jí)電容器（最小2毫法拉）。在此配置中，當(dāng)VSTORE1達(dá)到閾值且器件使能路徑S2（圖5）時(shí)，器件啟用單獨(dú)的開關(guān)（圖4中的SW5），以允許太陽能電池為VSTORE2電容充電。當(dāng)VSTORE1使能時(shí)，連接VSTORE2和VSTORE1的二極管（見圖4）將多余的能量連接到輸出。

如上所述，在監(jiān)視VDD和VBAT電平時(shí)，器件以其所謂的能量驅(qū)動(dòng)運(yùn)行模式。該器件還提供其他工作模式，使開發(fā)人員能夠更好地控制電源路徑切換機(jī)制。在事件驅(qū)動(dòng)的工作模式下，器件利用其集成定時(shí)器和控制引腳（INT）來去耦VOUT1和VOUT2，并在適當(dāng)時(shí)將VDD或VBAT路由至VOUT2。 S6AE103A使用多個(gè)定時(shí)器，支持額外的定時(shí)器驅(qū)動(dòng)操作模式。與事件驅(qū)動(dòng)模式一樣，此特殊模式將VOUT1和VOUT2去耦，但開發(fā)人員可以使用S6AE103A的定時(shí)器分別控制電源從電源切換到VOUT1和VOUT2。

設(shè)計(jì)人員設(shè)置工作模式和定時(shí)器持續(xù)時(shí)間使用器件定時(shí)器引腳CIN0和CIN2的組合。 S6AE103A提供額外的定時(shí)器引腳CIN1，以支持其額外的事件驅(qū)動(dòng)和定時(shí)器驅(qū)動(dòng)工作模式。

除了控制輸出源，開發(fā)人員還可以使用VOUT1和VOUT2微調(diào)最終輸出電壓。三個(gè)電阻器作為分壓器布置在一對控制引腳上，由器件的內(nèi)部參考電壓源供電。通過調(diào)整這些電阻值，開發(fā)人員可以在器件工作范圍內(nèi)提高或降低最終電壓輸出。

該器件與VOUT1和VOUT2一起，通過其內(nèi)部LDO穩(wěn)壓器提供額外的電壓輸出引腳VOUT_LDO。 （圖6）。與器件的VOUT1和VOUT2輸出一樣，設(shè)計(jì)人員可以通過在VOUT_LDO和FB_LDO引腳上設(shè)置電阻來調(diào)整LDO輸出電壓電平。 LDO控制引腳STBY_LDO允許工程師在正常模式和低功耗待機(jī)模式之間切換LDO，從而將LDO功耗從6μA（典型值）降至400 nA（典型值）。額外的器件引腳ENA_LDO允許工程師完全啟用或禁用LDO。

圖6：開發(fā)人員可以使用一對電阻調(diào)整低壓差提供的輸出電壓（VOUT_LDO）（ LDO）穩(wěn)壓器集成在賽普拉斯能量收集PMIC中。 （圖片來源：賽普拉斯半導(dǎo)體）

對于設(shè)計(jì)人員而言，器件使用少量電阻進(jìn)行配置可轉(zhuǎn)換為基于這些PMIC的相對簡單的設(shè)計(jì)。除了提到的20引腳S6AE102A和24引腳S6AE103A之外，還需要很少的額外組件來實(shí)現(xiàn)能量收集設(shè)計(jì)。

使用評(píng)估套件進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)

賽普拉斯半導(dǎo)體CYALKIT-E04評(píng)估套件提供完整的能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠從小型太陽能電池為傳感器系統(tǒng)供電。該套件與Panasonic AM-1801太陽能電池一起，包括一對能量收集板，分別展示基于S6AE102A和S6AE103A的設(shè)計(jì)（圖7）。單獨(dú)的傳感器板連接到S6AE102A/S6AE103A板，以提供來自其板載運(yùn)動(dòng)和光傳感器的信號(hào)，以及可用作PMIC VBAT源的可選紐扣電池。

圖7：CYALKIT-E04評(píng)估套件包括S6AE102A和S6AE103A PMIC的演示板，顯示設(shè)計(jì)人員需要實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)外部元件基于PMIC的完整能量收集設(shè)計(jì)。 （圖像來源：賽普拉斯半導(dǎo)體公司）

PMIC板還提供與Arduino兼容的引腳接頭，可輕松連接到廣泛的Arduino附加板產(chǎn)品組合。賽普拉斯利用這一標(biāo)準(zhǔn)連接器，利用另一個(gè)開發(fā)套件CY8CKIT-042-BLE增加無線連接。

雖然超出了本文的范圍，CY8CKIT-042-BLE附加板完成了圖7中電路板右側(cè)顯示的硬件接口。賽普拉斯在其標(biāo)準(zhǔn)軟件分發(fā)版中為CYALKIT-E04評(píng)估套件提供了對該BLE套件的支持。對于設(shè)計(jì)人員而言，創(chuàng)建太陽能無線傳感器設(shè)計(jì)就像將CYALKIT-E04的傳感器和PMIC板與CY8CKIT-042-BLE板組連接一樣簡單。

結(jié)論

能源收獲可以為低功耗設(shè)計(jì)提供有效的解決方案。然而，在實(shí)踐中，很少有開發(fā)人員有時(shí)間或?qū)I(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)能夠提取非常低水平的可用環(huán)境能量的能量收集電路。賽普拉斯半導(dǎo)體公司的PMIC僅需1.2μW即可啟動(dòng)，它集成了一個(gè)完整的能量收集子系統(tǒng)，能夠從小型太陽能電池產(chǎn)生有用功率。

該P(yáng)MIC系列只需少量外部元件，允許開發(fā)人員使用從低層室內(nèi)照明中快速實(shí)施能量收集電源。