適用于能量采集應用的電源管理架構

根據圖 3 所示曲線圖，可以很清楚地知道，需要一個接口電路來獲得最大有效功率。最大功率提取電路動態地調節功率轉換器的輸入阻抗，以獲得最大功率。在進行太陽能采集時，利用開路電壓固定部分輸入電壓調節、短路電流固定部分輸入電流調節等簡單技術，或者使用一些基于微處理器的復雜技術，可以實現最大功率提取。

圖 3 太陽能電池板的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

圖 4 熱電發電機的電壓與電流以及電壓與功率曲線圖

從 TEG 提取最大功率的一些技術包括動態改變 DC/DC 轉換器開關頻率，然后在 50% 開路電壓對 DC/DC 轉換器輸入電壓進行調節。在所有這些轉換器中，輸出電壓都由能量緩沖器決定。

請注意，轉換器拓撲結構的選擇，是在設計復雜度、組件數目和效率之間進行權衡的一個過程。開關式轉換器一般擁有比線性穩壓器更好的效率，但代價是組件數目更多、設計更復雜且占用電路板空間更大。

電池管理電路
在能源采集系統中，能量緩沖器用于存儲來自能源采集器的有效間歇性能量。之后，使用所存儲的能量為系統供電。即使可用能源存在不連續的情況下，這種架構也可讓總系統持續工作。常用能量緩沖器包括各種化學物質的可重復充電電池和超級電容器。電池管理電路有兩個主要功能。首先，它對能量緩沖器的電壓進行監控，確保該電壓在由欠電壓 (UV) 和過電壓 (OV) 閾值確定的安全工作區域內。其次，它對能量緩沖器的容量進行監控，并為有效工作所需能量可用情況相關的負載提供指示。利用一些簡單的技術，例如：能量緩沖器電壓監控或者使用電量計方法，對電池的輸入、輸出電壓和電流進行測量，便可完成對電量的測量。當使用簡單的電壓型方法指示能量緩沖器剩余電量時，我們可以實現一種被稱作電力良好水平的用戶可編程中間電壓電平。

電池管理部分的設計考慮因素取決于所使用的能量緩沖器。使用可重復充電電池時，OV 和 UV 閾值基于電池的化學物質組成。使用超級電容器時，OV 和 UV 閾值由 IC 和電容器的絕對最大額定值的下限決定。使用能量緩沖器的最佳設置，可以最大化系統的壽命。電池管理部分的另一個設計考慮因素是電池管理部分消耗的靜態電流。電池管理模塊電路包括基準、比較器和數字邏輯等基礎模塊。必需最小化這些電路消耗的電流。這是因為，電池管理部分使用的任何能量都會使電池漏電，并且這種能量并未提供給外部負載。

冷啟動
冷啟動單元是一種備選模塊，在典型能源采集 PMIC 中可有可無。冷啟動單元的功能是在存儲組件中所儲能量不足時幫助系統啟動。具體冷啟動單元設計取決于不同的應用。就太陽能應用而言，我們可以使用一個輸入驅動型（相對于電池供電型）振蕩器來驅動暫時低效的開關式轉換器的開關[1]。一旦能量緩沖器中形成足夠的能量，高效開關式轉換器便可接管。就熱電發電機而言，可使用變壓器耦合振蕩器拓撲或者利用系統的機械運動，來實現冷啟動單元[2,3]。這種模塊的設計考慮因素為最小啟動電壓、啟動功率、峰值浪涌電流和啟動所需時間。

穩壓器
穩壓器的功能是對電池電壓進行調節，以提供穩定的電壓。這種模塊的拓撲取決于電池、系統負載要求和靜態電流。

總結
本文中，我們討論了適用于 DC 能源采集應用的電源管理 IC 設計或者選擇過程中需要考慮的一些重要因素，包括每個 IC 基礎模塊的設計考慮因素等。能源采集 PMIC 可以把某些或者所有功能都集成在單塊 IC 上。PMIC 選擇取決于能源采集源、能量緩沖器和系統負載。