天津打造思政课品牌 听院士名师共讲“新时代”
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能量收集主要视为提供电力不具有接入到电源或需要一个补充源的电池的电子设备的装置。在许多情况下，它被用来在应用中根本就足够空间包括笨重的电池。经典的实例包括可穿戴的技术，如健身工具和健康监测装置，以及在诸如环境或结构监测无线传感器节点。通常情况下，能量从环境来源，例如太阳能，振动或温度差收获需要转换，升压并临时存储，然后才能被有效地利用。专门为能量收集应用的功率转换和功率管理集成电路的范围越来越广，现在可以从许多公司。的压力，以确保这些装置是高度集成的多功能操作和尽可能小。他们本身是非常低的功耗自不待言。本文将概述了蓬勃发展的“身打扮”市场和相关应用的小型化的要求。然后，它会考虑近期推出的bq25570升压充电器，带有集成降压转换器，具有许多相似的替代和补充部分在一起。将参考TI的用户指南，说明如何该设备可以得到最好的利用超低功耗，空间/重量限制的能量收集的应用程序。
更多功能
越来越多的人的范围可穿戴的设备，以帮助人们跟踪他们的健身程序，监测健康和提供医疗服务。的趋势，与大多数便携式设备，是提高功能的消费预期抬头。一个心脏监测仪将更具吸引力，如果它也采用了GPS跟踪周期或跑步路线。现代穿戴式健康监测设备现在不仅监视心电图反应，而且血压，体温，血氧含量，心脏率和活动水平。
图1：能量采集将是许多穿戴式应用的关键技术。左：Sensoria袜子配有压力传感器，通过蓝牙进行通信的脚链，以帮助识别和优化运行方式(脚后跟/球罢工等)。附加的传感器追踪步数，速度，卡路里，高度和距离。右：可穿戴式辅助装置的老人，由德国弗劳恩霍夫研究所开发，提供一系列的可编程服务，包括服药提醒，健康监测和紧急援助呼叫。无线连接可以用于发送收集到的被储存和再分析数据的设备。作为物联网的一部分，无线传感器网络是在应用所必需的，如智能建筑和环境监测，其中从多个传感器的数据被编译。其结果是，有越来越多的传感器，RF电路和更复杂的微控制器集成到智能手表，生物特征监测器，ID标签，传感器节点和其它可佩带或远程应用程序。然而，这样的多功能设备将只能成功，如果他们有电荷之间合理的电池寿命，同时保持重量轻，结构紧凑，穿着舒适。设计师们从脚步转向能量收集利用周围的能量，如身热，或振动，以保持电池充电。在一些设备，如植入物，所采集的能量可以是唯一的电源。能量收集可以，因此，被视为一个有价值节省空间的技术，无论是更换电池或允许使用更小的，可再充电电池。电源管理是任何设备由电池供电或清理能源的重要组成部分。确保卓越的性能和高效率运行从非常低，常有不规则的来源，需要准确度和精密度。许多IC制造商都瞄准了这一市场，其中包括先进的线性器件，将Cymbet，凌力尔特，美信集成，Spansion公司，意法半导体和德州仪器。每一代的集成度越来越高，体积更小，功耗更低比上一次。原则上，这些装置包括获取收获的能量，转换和/或升压，然后将其提供直接向系统或可再充电的存储设备的装置。某些设计专用于一种特定类型的能量存储装置，如超级电容器或锂离子纽扣电池的例子。其他人可能支持多种类型。类似地，一些可以专用于能量收集一种形式中，其他人可以支持几个。很重要的一点看，根据不同的应用，是所需要的启动电压。一些可以是低至20毫伏，但功能性可以是有限的，需要额外的补充部件，以提供完整的电源管理。更高度集成的部件可提供一个更小的整体尺寸和更低的总体静态电流，但可能需要更高的启动电压，使它们更依赖于储存能量的最低水平。一些设备显然是针对超低功耗的传感器节点。其他人会支持基于微控制器的设备所需的更高的输入电压等级，虽然MICROS自己将超低功耗的能量采集应用。重要的是，电源管理IC需要有足够的灵活性来处理间歇性的供应和变化的，往往非常低，水平采集的能量的。该系统的设计必须考虑到这一点，结合足够的能量储存能力在需要的时候提供稳定的动力。在很大程度上将取决于频率传感器需要被读取，多少和多久的数据需要传输。
高度集成
德州仪器(TI)提供了广泛的超低功耗，为能量收集应用的小型化设备，包括电源管理IC，无线连接和微控制器。它的一个最新推出的bq25570，描述为一个高度集成的能量收集纳米电源管理解决方案。它符合所有的标准，利用能量采集空间受限，功率受限的应用。包含在一个小巧二十导致3.5个3.5mm QFN封装，该器件具有488 nA(典型值)和<5 nA的船舶模式的超低功耗静态电流。评估模块，bq25570EVM，也可用。详细的产品和应用信息的装置datasheet1提供的评估板用户Guide.2是高度集成的，它最大限度地减少需要额外的设备，但外部电容器和电阻器。它同时实现了高效率的脉冲频率调制(PFM)升压充电器和纳米供电的降压转换器，使其成为理想的无线传感器网络严格的功率和运营需求。见下图2：
图2：TI的bq25570能量收集电源管理IC，具有升压充电器和纳米功率降压转换器的功能图。它可以用于与各种高阻抗能量采集源，包括光生伏打(太阳能)，热发电机(TEGs)和，通过加入一个AC / DC整流器，压电发生器。冷，设备的DC / DC升压转换器/充电器最少需要330毫伏。这是假设输入源提供至少5μW典型，并在升压转换器输出的负载小于1微安的泄漏电流(包括存储元件的漏电流)。然而，一旦操作和升压转换器的输出达到1.8V，该设备要求100毫伏，它可以从能量采集源中提取。降压(降压)转换器需要的输入功率升压转换器的输出，步骤下来，并提供在输出引脚调节电压。它采用PFM控制方式来调节电压接近设定由用户编程电阻分压器。电流通过电感由内部电流检测电路来控制。启动从船模时间约为100毫秒，同时启动从待机模式比较快，但是取决于输出电容的大小。该bq25570可用于许多类型的存储设备，包括电容器，超级电容器，锂离子电池等化学电池。收割机，预计将提供至少足够的电力来存储元件完全充电而在系统处于低功率或睡眠模式。电池或电容器必须具有足够的容量，以提供整个系统的负载，而能量收集器不工作。与100μF等效电容存储元件需要过滤PFM开关充电器的脉冲电流。 TI的用户指南解释一个电池和超级电容器之间的主要区别在于，该电池具有低于一定电压很少或没有容量，而超级电容器意愿。系统设计人员警告说，两者都可以有，将出现在升压转换器的输出直流负载显著的漏电流。最大功率点追踪(MPPT)被实现以提取和管理的最大功率可以从光伏电池(70至80%)和TEGs(50%)。对于电池供电设备的有效管理必不可少的其他功能还包括电池过压和欠压保护，自动热关机可充电锂离子电池。精确监控电池状态是另一个重要的功能，与以触发负载电流的降低应该系统在输入欠压条件的危险的能力。
替代品和互补
具有类似的功能，但更低的静态电流为325 nA的，TI提供了bq25504与bq25505。这些器件具有一个独立的电源多路转换器的栅极驱动，一旦开始，可实现从能源采集源和原电池系统的运行，保证恒功率是在需要时可用，即使没有能量可以从收割机。非常低的静态电流是很重要的，当系统包含无法完全关闭，从而延长电池寿命的设备。如果尺寸和重量是一个问题，那么TI建议一个更小，功耗更低线性电池充电器专为单节锂离子纽扣电池，该bq25100。尺寸仅为0.9×1.6毫米WCSP封装，设备支持的输入电压高达30V，并允许精确控制快速充电电流从最低为10 mA至250 mA的电流。互补器件中，TPS82740A和TPS8274B降压转换器模块支持200个mA的输出电流用95%的转换效率并消耗只是360 nA的操作的静态电流，70 nA的待机模式。的6.7平方毫米的包并入切换调节器，电感器和I / O电容器。通过将所有必要的无源器件，该器件据称是不是替代分立解决方案小75%。该TPS82740A是针对非常低的电压应用，而TPS8274B具有的整合低功耗微控制器，如TI的MSP430系列系统的电源管理“DCS控制”功能。
结论
选择合适的电源管理IC，用于便携式应用程序利用能量采集需要仔细考虑系统的电力需求，能源生产潜力和能量存储容量。在功率范围的下端，用于无线传感器节点，例如，或其中TEGs产生非常少量的能量，装置的选择是有限的。其中，小尺寸和轻重量是最重要的，一个更高度集成的器件，如本文中所强调，可提供最佳的解决方案。
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