能量收集主要被视为一种供电方式，用于为需要添加电源或电池以外的电子设备供电。 在许多情况下，使用能量收集的应用程序通常没有足够的空间来容纳大容量。 典型的例子包括可穿戴技术，如健身小工具和健康监测设备，以及无线传感器节点，如环境或结构状态监测应用。
通常，从太阳能、振动或温差等环境能源中收集的能量，需要经过过渡、升压、暂存后才能得到有效利用。 如今，推出的能量采集应用程序和电源管理集成电路的公司越来越多。 但面临的压力是，要确保这些设备高度集成以方便多功能操作，并且尺寸应尽可能小。 毫无疑问，设备本身的功耗是非常低的。
本文将概述快速可穿戴电子设备市场及其相关应用的小型化需求，并讨论近期具有集成降压转换器的 BQ25570 升压充电器以及一系列类似的替代品和补充组件。 本文将参考 TI 的用户指南，解释如何有效地使用该器件来超越低功耗、空间/重量限制。
更多功能今天，越来越多的可穿戴设备可以跟踪健身计划以监测健康状况并提供医疗条件和提供医疗服务。 与大多数便携式设备一样，这一趋势将推动消费者期望的设备功能增加。 如果将GPS设备集成在心率监测器中，跟踪记录环数或跑步路线，心率监测器将更受青睐。 目前，现代可穿戴健康监测设备可以监测血压、体温、血氧含量、心率和活动。
图 1：能量收集将成为许多可穿戴电子设备应用中的关键技术。
左图：Sensoria 的智能袜子，配备压力传感器，可以通过蓝牙与脚环通信，帮助识别和改善跑步姿势（脚跟/脚）。 其他传感器可以跟踪记录、速度、消耗卡路里、高度和距离。
右图：弗劳恩霍夫研究所研发的老年群体可穿戴辅助设备，可提供服药提醒、健康监测、紧急求助电话等一系列可编程服务。
无线连接可以轻松传输和存储收集的数据以供以后分析。 无线传感器网络作为物联网的一部分，在智能建筑和环境监测等应用中必不可少，并且必须编译来自这些应用中的许多传感器的数据。 因此，集成传感器、射频电路和更精确的微控制器越来越多地用于智能手表、生物识别监视器、ID 标签产品、传感器节点和其他可穿戴或远程应用。
不过这样的多功能设备应该受到青睐，除了合理的续航，还要求重量轻、体积小、使用舒适。 设计者利用能量收集技术，有效利用体温或脚步声等环境能量，让电池持续充电。 在某些设备（如植入设备）中，收集到的能量是唯一的能源。
因此，能量收集可以看作是一种可以替代电池的空间实用技术，可以实现更小体积的可充电电池。 对于任何由电池供电或提供能量的设备，电源管理非常重要。 为了通过高功耗确保最佳性能和高效运行，通常是不规则的电源，需要一定的准确性和精度。 许多 IC 制造商都瞄准了这个市场，包括 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、StMicroelectronics 和 Texas Instruments。
相比老一代电源，新一代电源更高，体积更小，功耗更低。 理论上，设备会得到由此产生的能量，然后进行转换和/或升压，最后直接提供给系统或可充电的储能设备。 一些设计可以专用于某种类型的能量存储设备，例如超级电容器或锂离子按钮。 还有其他设计支持多个能量存储设备。 同样，有些设计可能专用于某种形式的能量收集，还有其他设计支持多种形式的能量。
需要注意的一个重点是不同应用所需的启动电压。 一些应用开始到 20 mV，但功能可能受到限制，需要额外的补充组件来提供足够的电源管理。 集成度高的元件可能体积更小，整体静态电流更低，但可能需要更高的启动电压，使其更依赖于最低级别的存储能量。 有些设备非常有针对性，专用于超低功耗传感器节点。 其他器件将支持更高的输入电压电平以满足基于微控制器设备的要求，但对于能量收集应用，这些微器件本身的电压非常低。
电源管理 IC 需要足够灵活以处理间歇性电源和收集的能量（通常不稳定，并且经常收集数量），这一点很重要。 这在系统设计中必须考虑，即足够的储能容量，可以在需要时提供恒定的电力。 这在很大程度上取决于传感器的读取频率，以及数据的传输量和传输频率。
高集成度 Texas INSTRUMENTS 为能量收集应用提供各种超低功耗微型器件，包括电源管理 IC、无线连接和微控制器。 公司最新推出的BQ25570是一款高集成度能量采集的毫微微级电源管理解决方案。 它符合能量收集技术的所有标准和功率受限应用的所有标准。
该器件结构紧凑，采用 3.5 引脚的 3.5 x 20 mm QFN 封装，超低功耗静态电流为 488 NA（典型值），传输模式为。 1881.5 北美。 此外，还有一个 BQ25570EVM 评估模块。 详细的产品和应用信息，请参考设备规格和评估板用户指南 2。
该器件仍然需要外部电容和电阻，但由于集成度高，可以最大限度地减少对额外设备的需求。 该设备非常适合具有苛刻功率和操作要求的无线传感器网络，可实现高能量脉冲频率调制 (PFM) 升压充电器和毫微微功率降压转换器解决方案。 参见下图 2： 该设备可与多种高阻抗能量结合使用，包括光伏（太阳能）、热电发电机 (TEG) 以及 AC/DC 整流器和压电发电机。 从冷启动状态开始，器件的 DC/DC 升压转换器/充电器的最低电压最小值为 330 mV。 其假设基于：输入电源提供至少 5 μW（典型值），负载转换器输出小于 1 μA 漏电流（包括存储元件漏电流）。 但是升压转换器运行后输出电压达到1.8V，可以从能量采集源获得装置所需的100MV电压。
降压转换器首先从升压转换器输出获得输入功率，然后进行降压过程，最后为输出引脚提供调整电压。 降压转换器使用 PFM 控制来调整电压，使其接近用户可编程电阻分压器设置的值。 通过电感的电流由内部电流检测电路控制。 从交货模式开始，时间大约为100 ms，从待机模式开始更快，但这取决于输出电容的大小。
BQ25570 可用于各种存储设备，包括电容器、超级电容器、锂离子电池和其他化学电池。 当系统处于低功耗或睡眠模式时，集电极将提供足够的电能为存储元件充电。 当能量收集器不工作时，电池或电容器必须有足够的功率为整个系统负载供电。 需要一个等效电容 100 μF 存储元件来过滤 PFM 开关充电器的脉冲电流。
根据TI的用户指南，电池和超级电容器的主要区别在于电池中很少，甚至低于一定的电压，并且有超级电容器。 系统设计人员需要注意存在显着的漏电流，这相当于升压转换器输出上的直流负载。
最大功率点跟踪 (MPPT) 是指光伏电池 (70 至 80%) 和 TEG (50%) 的最强大能量和管理。 电池供电设备高能效管理的其他功能包括：电池过压和欠压保护、可充电锂离子电池的自动热关机。 电池状态的准确监控是另一个重要功能。 如果系统可能进入欠压状态，还需要触发负载电流下降功能。
替代设备和补充设备 Ti 推出的 BQ25504 和 BQ25505 功能类似，但静态电流小于 325 NA。 两款器件均配备自主电源多用途多路复用器栅极驱动器，一旦启动，系统即可从能量收集源和原电池中获取能量，确保在需要时提供恒定功率，即使在收集器不可用的情况下也能也能正常工作。 当系统包含无法关闭时，超低静态电流非常重要，可以延长电池寿命。
如果尺寸和重量有问题，TI推荐BQ25100，这是一款功率较低的线性电池充电器，特别适合单锂离子按钮。 该器件采用 0.9 x 1.6 mm WCSP 封装，支持高达 30 V 的输入电压，可将快速充电电流精确控制在 10 mA 至 250 mA 范围内。
配套设备 TPS82740A 和 TPS8274B 降压转换器模块支持 200 mA 输出电流，转换效率高达 95%，消耗的静态电流仅为 360 NA，70 NA 为 70 NA。 6.7 mm2 封装包含一个开关稳压器、一个电感器和一个 I/O 电容器。 通过集成所有必要的无源器件，器件的体积比相同的分立解决方案小 75%。 TPS82740A 是超低电压应用，TPS8274B 具有“DCS 控制”功能，适用于电源管理，例如 Ti，例如 Ti。 MSP430 系列。
结语 要选择能量收集技术的便携式应用，选择合适的电源管理IC，您需要仔细考虑系统的电源要求、能量产生潜力和能量存储容量。 在功率范围的低端（例如无线传感器节点），或者如果 TEG 产生的能量非常小，则设备的选择更加有限。 如果体积小、重量轻是最好的选择，那么选择集成度更高的，比如本文中的几个，也许是最好的解决方案。
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