SPV1050：意法半導體新超低功耗高能效能量回收及充電器

　　今天的物聯網(IoT)是由數量龐大的安裝在人類極難接近地方的遠程傳感單元組成，為保證業務不中斷，降低檢修成本，這些傳感單元必須智能管理能源，完全自主運行。這些要求表明，能量回收及充電設計必須保證轉換能效極高，充電管理適當，盡可能從環境提取更多的電能送到電池，以最快的速度貯存電能，而且不會損壞電池或縮短電池續航時間。

　　為滿足這些技術需求，意法半導體推出了一款微型封裝或裸片的超低功耗直流-直流轉換器芯片，該芯片可用于太陽能光伏(PV)板或熱電發生器(TEG)，基于從能源提取電能優化技術的最大功率點追蹤算法(MPPT)，內置一個能效極高的電源管理模塊，能夠給任何類型的電池快速充電，或為微控制器、收發器、傳感器等周邊配套芯片提供電能;適用于室內外工作條件和非常小的溫度梯度。通過提升系統集成度和可靠性，同時大幅降低系統組件總體成本，SPV1050表現出了基于無線傳感器網絡(WSN)的工業應用的核心產品的全部重要特性，這些工業應用包括工業生產控制、工廠自動化、環境和氣候/樓宇監視、智能照明以及手機配件、便攜設備、醫療設備、健身穿戴裝置等消費應用。

　　圖1–SPV1050的目標應用

　　前言

　　SPV1050超低功耗高能效能量回收及充電器的最大輸出功率約400mW，基于全橋全嵌入式DC-DC轉換器，硬件可設為升壓或降壓轉換模式，輸入電壓范圍從75mV至18V，因此，適用于市場大多數熱電發生器(低壓高電流)和太陽能電池板(高壓低電流)，為使輸入級阻抗與換能器輸出阻抗匹配，還實現了一個高效的MPPT算法。

　　該功率點追蹤算法根據環境變化條件實時更新最大功率點(MPP)，其工作原理是通常每16秒對輸入電壓進行一次采樣和記錄，然后將采樣暫存在一個外部電容器內，因此，可以定期更新內部MOSFET的開關占空比，以跟隨VMPP算法，即使是在輻照、度熱梯度條件極易變化時也是如此。開始時，通過一個外部電阻器的分壓器，根據電源參數和典型工作條件，用戶可以設置MPP功率點，如需要，還可以關閉MPPT算法。

　　為防止充放電過量，內部高精度邏輯模塊通過一個外部電阻器分壓器監視電池電壓，因為電池調整電壓可以設定在2.6 V到5.3V范圍內，可滿足任何類型電池充電限制(液態鋰電池、聚合物鋰電池、超級電容電池、薄膜固態電池、鎳氫電池)。同時，根據所用電池的技術和拓撲，欠壓閾值可設在2.2V到3.6V之間，這兩個閾壓值均可精確設定，精度為±1%。

　　圖2–SPV1050架構

　　SPV1050內置兩個完全獨立的低功耗LDO穩壓器，輸出電壓分別為1.8V和3.3V。每個穩壓器能夠為負載提供最高200mA的電流，保證±0.5%的最大壓降。一旦開啟，只有當電池電壓在Vuvp +5%和Veoc之間時，穩壓器才會向負載釋放電能。因此，任何負載都不會受到電池電量不穩或低電的影響。此外，兩個低電平有效數字輸出向主控制器報告電池是否在充電 (BATT_CHG)和邏輯電平傳輸晶體管(pass-transistor)開關是否閉合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN 5x5 20引腳封裝和裸片兩款產品，圖2是框圖。

　　SPV1050的工作原理

　　充電器

　　為保證電池的續航能力和整個系統的安全，SPV1050內部控制邏輯電路驅動STORE和 BATT兩個引腳之間的邏輯電平傳輸晶體管，這樣電池電壓始終保持在欠壓保護 (UVP)閾值和充電結束(EOC)閾值之間。在充電器第一次導通前，邏輯電平傳輸晶體管關斷。在這種情況下，電池流出的電流只是技術性泄漏電流，電流值低于1nA。極低的電流消耗可延長“上架時間”，防止“啟動前”電池放電。只要STORE引腳電壓上升，則邏輯電平傳輸晶體管導通，EOC引腳上電壓閾值被激活，只要電池充滿電量，DC-DC轉換器將會停止開關操作，直到VSTORE>VEOC-EOCHYS為止，一旦電壓低于差值，轉換器就會重新開始工作。同樣，為避免過度放電，如果STORE引腳電壓低于VUVP閾壓，邏輯電平傳輸晶體管將會關斷。通過在STORE、UVP和EOC引腳之間分配電阻，設置VUVP和VEOC兩個閾壓，即可實現這兩項功能。

　　下圖描述了在電池充電電壓、輸入電壓不同的典型用例中，在環境溫度下，直流-直流轉換器升壓模式的轉換效率。

　　圖3：SPV1050轉換能效(升壓模式)

　　電源管理器

　　實際上，SPV1050還是一個內置兩個LDO穩壓器的電源管理器，通過相關輸出引腳提供1.8V 和3.3V穩壓電源，根據每個穩壓器向負載釋放的電能功率，LDO穩壓電源的電能可能來自能量回收電源或蓄電池。但是，若想要LDO提供任何大小的電流，需要連接電池，這就是說， STORE和BATT引腳之間的邏輯電平傳輸開關必須閉合。可選擇開啟每個LDO穩壓器，或者向相關使能引腳饋入高電平有效信號來關閉每個LDO穩壓器。

　　若想詳細了解SPV1050的工作原理和應用設置，請訪問意法半導體網站上的產品數據手冊。

　　SPV1050的設計工具-評估板和參考設計

　　SPV1050評估板

　　SPV1050配有全套的評估板、演示板和參考設計工具，我們向初次接觸這款產品的開發設計人員強烈推薦評估板。

　　STEVAL-ISV019V1(圖4)評估板讓用戶能夠使用SPV1050的全部功能，快速建立一個評估平臺，在一個實體設備上測試這款器件的性能。評估板包括正常運行所需全部無源器件，提供多個芯片電壓監視測量點，實現了升壓配置，讓應用設計人員能夠快速發現最佳的系統配置，優化SPV1050的工作點和能效，板載連接能量回收電源和電池的接口。該評估板是一個典型的采集太陽能并轉換成電能(0.5 V ≤VMPP ≤ 2.5 V, 30 μA ≤ IMPP ≤ 20 mA)充入電池(3.7 V欠壓保護閾壓(UVP)和4.2 VEOC閾壓)的用例。只略加改動應用組件，設計人員即可將任何類型輸入電源(PV, TEG, USB等)與電池匹配，詳情參見應用筆記AN4394。

　　圖4：STEVAL-ISV019V1