如何使用数字电源管理来获取能量?---凯利讯半导体

　　数字电源管理是任何能量采集系统的重要组成部分。数字控制允许单个设备处理各种各样的能源，这些能源有非常不同的要求，从光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)到压电和高阻抗的热源。

　　bq25505设备的设计是为了提取从各种能量采集源产生的微功率。数字管理确保了二次充电电池没有被这一提取的电源过度充电，电压升高，或超过安全限制的系统负载。

　　如果二次电池电压低于用户定义的阈值，一个集成的多路复用门驱动程序自动将系统负载切换到主非可充电电池，从而允许设计者为不同的应用程序优化系统。

　　来自德州仪器的bq25505图。



　　图1:来自德州仪器的bq25505显示了数字电源管理的大头针。
　　设计从DC-DC增压器开始，它只需要微波功率就可以开始运行。主增压器是由boost输出，VSTOR驱动的，如图1所示。一旦VSTOR电压高于VSTOR_CHGEN发生器值，通常为1.8 V, boost充电器可以有效地从低电压输出收割机中提取能量，如TEGs或单双电池太阳能电池板，其产生的电压降至100 mV。当升压输出小于100 mV时，冷启动电路需要至少有330 mV的电压，使VSTOR达到1.8
V。

　　MPPT管理

　　bq25505实现了一个可编程的MPPT采样网络，以优化从太阳能电池到设备的传输。随着光线照射到细胞上的变化，所以输出在一个复杂的非线性系统中变化。

　　一个简单的MPPT算法以线性的方式跟踪输出电压，使转换为能量存储可以优化。例如，对于在最大的功率点(MPP)中工作的太阳能电池，其开路电压的80%，电阻分压器可以设置成80%的VIN_DC电压，而网络将控制VIN_DC在采样基准电压附近运行。

　　为了实现这一点，VIN_DC开路电压采用外部电阻器来提供采样率，并将采样电压与连接到VREF_SAMP销的外部电容器连接起来。

　　该升压变换器通过调节充电器的输入电压(由VIN_DC引脚感知)，间接调节主增压充电器的输入阻抗，以达到VREF_SAMP引脚上的采样基准电压。MPPT电路每隔16秒就会获得一个新的参考电压，它会周期性地关闭256毫秒的充电器，并采样一小部分收割机的开路电压(VOC)。

　　对于太阳能收割机来说，最大的功率点通常是70%-80%的VOC和热电收割机的MPPT通常是50%。将VOC_SAMP与VSTOR结合，将MPPT的调节点设置为VOC的80%。将VOC_SAMP与GND结合，将MPPT的调节点设置为VOC的50%。如果输入源没有80%或50%的VOC作为其MPP点，则可以优化MPPT的精确比例，以满足在VOC_SAMP中以中点连接外部电阻器ROC1和R在VIN_DC和GND之间所使用的输入源的需求。

　　外部控制

　　另一种选择是使用一个外部微控制器来实现一个更复杂的MPPT算法，以产生一个外部参考电压，可以直接应用到VREF_SAMP pin。

　　这些替代的MPPT算法包括一些技术，如Perturb和观察或增量电导，可以在一个超低功率的微控制器中实现，比如来自德州仪器的MSP430用于更多的数字控制。

　　来自德州仪器的超低功率MSP430控制器示意图。



　　图2:来自德州仪器的超低功率MSP430控制器可以用来实现更复杂的MPPT算法来管理太阳能电池的能量收集。

　　在Perturb和观测算法中，控制器也被称为hill爬升，控制器通过一个小的量来调整电池的电压，并测量功率。如果功率增加，在此方向上的进一步调整将被尝试，直到功率不再增加。

　　通过增加电导，控制器测量电流(dI/dV)的增量变化，以预测电压变化的影响。这在控制器中需要更多的计算，但可以比扰动更快速地跟踪电压，并观察以提供更高的效率。

　　第三个MPPT技术是电流扫描，扫描电流以确定I-V特性。这可以定期更新，并计算最佳功率曲线。

　　然而，在添加另一个微控制器方面有一个重要的折衷。基于16位的基于riscs的MSP430控制器在16兆赫的时候使用大约9兆瓦的功率进行计算，并且有自己的数字电源管理要求。虽然它能很快从睡眠模式中获得能量，但这可能并不是一个好处，因为来自能源获取源的供应必须有时间来稳定下来。这意味着控制器的启动必须在能量收集电源管理器之后启动，与使用bq25505中已有的更简单的线性跟踪MPPT算法相比，增加了更多的复杂性和功耗。

　　整体的权衡取决于应用程序所需的功率和太阳能电池的大小以及子系统处理的其他功能。可能有一个系统微控制器处理其他功能，也可以用来运行MPPT算法。

　　数字电源管理还需要处理各种存储元件的特点;避免在高压环境下工作。

　　为了防止对存储单元的损坏，对内部程控的欠压(VBAT_UV)和用户可编程的过电压(VBAT_OV)水平，监控最大和最小电压。当电池或电容器的电压降至预设临界水平以下时，管理子系统还会切换电池的好旗，以显示外部微控制器。这样就会触发负载电
4000
流的脱落，以防止系统进入欠压状态。

　　过电压和电池良好(VBAT_OK)阈值是独立编程的，因此不同的电源管理选项可以在bq25505和外部控制器(如MSP430)中使用。这就突出了能量收集子系统和外部控制器中的电力管理的平衡。

　　自动多路复用

　　除了增压前端，bq25505为系统提供了一个自主的功率多路复用门驱动器。这使得两个存储单元可以自动多路复用，以便为系统负载提供一个单独的电源轨。这个多路复用器使用VBAT_OK阈值，该阈值由用户通过一个电阻器进行编程。这允许用户设置系统由能量收割机存储单元供电的水平，例如，一个可充电电池或一个超级电容器用于临时电源支持或一个主要的不可充电电池，如两节AA电池。

　　这种类型的混合系统架构允许一个典型的电池供电系统的运行时间基于从收割机获得的能量。如果没有足够的能源来运行系统,主电池自动切换到主系统内铁路8µs为了提供不间断操作。

　　Nanopower管理

　　bq25505的效率是通过一个专有的纳米电源管理模块和算法实现的。此样品并保持VSTOR电压，以减少平均静止电流，使内部电路只在短时间内活动，然后在最低可行的工作周期内关闭剩余的时间。图3中的VRDIV节点被监控，如图3所示。

　　监视VRDIV节点的图像。



　　图3:监视VRDIV节点，该节点是bq25505的纳米管管理的关键部分。
　　在这里，VRDIV节点提供了与第一个脉冲上的VSTOR电压的连接，然后在短时间内为VBAT_OV和VBAT_OK电阻分配器生成引用级别。每隔64毫秒，每根针上的细分值与VBIAS比较，作为滞回控制的一部分，由于这是一个电阻串，当管理电路接通时，这些电阻的电流只会是活动的。这减少了电阻器的整体静止电流，并有助于减少总功率消耗。

　　结论

　　实施能源收获收费子系统需要密切关注电力预算。使用数字电源管理技术，例如MPPT，来优化从一个源捕获的能量，例如太阳能电池或热发生器，可以通过在功率控制器中已经实现的简单算法或通过运行在外部超低功率微控制器上的更复杂的算法来实现。像bq25505这样的充电器也可以提供数字电源管理，用于保护储能设备，无论是可充电电池还是超级电容器。