數字電源管理是任何能量收集系統的重要組成部分。數字控制允許單個設備處理具有非常不同要求的各種能源，從光伏電池的最大功率點跟蹤 （MPPT） 到壓電和高阻抗熱源。

　　bq25505器件旨在提取各種能量收集源產生的微功率。數字管理確保二次可充電電池不會被提取的電力過度充電，電壓升高，也不會因系統負載而耗盡超過安全限制。

　　如果二次電池電壓低于用戶定義的閾值，集成多路復用器柵極驅動器會自動將系統負載切換到一次不可充電電池，從而允許設計人員針對不同應用優化系統。

　　圖 1：德州儀器（TI ） 的 bq25505顯示了數字電源管理的引腳。

　　該設計從一個 DC-DC 升壓充電器開始，該充電器僅需幾微瓦的功率即可開始工作。主升壓充電器由升壓輸出 VSTOR 供電，如圖 1 所示。一旦 VSTOR 電壓高于 VSTOR_CHGEN 發生器值（通常為 1.8V），升壓充電器就可以有效地從 TEG 或單電池或雙電池太陽能電池板，可產生低至 100 mV 的電壓。當升壓輸出小于 100 mV 時，冷啟動電路需要至少 330 mV 才能將 VSTOR 充電至 1.8 V。

　　MPPT管理

　　bq25505 實現了一個可編程 MPPT 采樣網絡，以優化從太陽能電池到器件的功率傳輸。隨著落在電池上的光發生變化，輸出在復雜的非線性系統中也會發生變化。

　　一個簡單的 MPPT 算法以線性方式跟蹤此輸出電壓，以便優化轉換為存儲的能量。例如，對于在最大功率點 （MPP） 為其開路電壓的 80% 下運行的太陽能電池，電阻分壓器可設置為 VIN_DC 電壓的 80%，并且網絡將控制 VIN_DC 在采樣電壓附近運行參考電壓。

　　為此，使用外部電阻器對 VIN_DC 開路電壓進行編程以提供采樣率，并且該采樣電壓由連接到 VREF_SAMP 引腳的外部電容器保持。

　　升壓轉換器通過將充電器的輸入電壓（由 VIN_DC 引腳檢測到）調節到存儲在 VREF_SAMP 引腳上的采樣參考電壓，間接調制主升壓充電器的輸入阻抗。MPPT 電路通過定期禁用充電器 256 ms 并對采集器的開路電壓 （VOC） 的一小部分進行采樣，每 16 秒獲得一個新的參考電壓。

　　對于太陽能采集器，最大功率點通常為 VOC 的 70%-80%，而對于熱電采集器，MPPT 通常為 50%。將 VOC_SAMP 綁定到 VSTOR 在內部將 MPPT 調節點設置為 VOC 的 80%。將 VOC_SAMP 連接到 GND 在內部將 MPPT 調節點設置為 VOC 的 50%。如果輸入源沒有 VOC 的 80% 或 50% 作為其 MPP 點，則可以通過在 VIN_DC 和 GND 之間連接外部電阻器 ROC1 和 R 來優化 MPPT 的精確比率以滿足正在使用的輸入源的需要。 -點在 VOC_SAMP。

　　外部控制

　　另一種方法是使用實??現更復雜 MPPT 算法的外部微控制器來生成可直接應用于 VREF_SAMP 引腳的外部參考電壓。

　　這些替代 MPPT 算法包括諸如擾動和觀察或增量電導等技術，并且可以在德州儀器 （TI ） 的MSP430等超低功耗微控制器中實施，以實現更多數字控制。

　　圖 2：德州儀器 （TI） 的超低功耗 MSP430 控制器可用于實現更復雜的 MPPT 算法，以管理太陽能電池的能量收集。

　　在 Perturb and Observe 算法（也稱為爬山算法）中，控制器會少量調整電池電壓并測量功率。如果功率增加，則嘗試在該方向進行進一步調整，直到功率不再增加。

　　通過增量電導，控制器測量來自電池的電流 （dI/dV） 的增量變化，以預測電壓變化的影響。這需要在控制器中進行更多計算，但可以比 Perturb 和 Observe 更快地跟蹤電壓以提供更高的效率。

　　第三種 MPPT 技術是電流掃描，它掃描電池電流以確定 IV 特性。這可以定期更新并計算出最佳功率曲線。

　　然而，在添加另一個微控制器方面存在重大權衡。基于 RISC 的 16 位 MSP430 控制器在 16 MHz 時使用大約 9 mW 的功率進行計算，并且有自己的數字電源管理要求。雖然它可以從睡眠模式快速通電，但這可能不是一個好處，因為來自能量收集源的電源必須有時間穩定下來。這意味著控制器的啟動必須安排在能量收集電源管理器之后啟動，與使用 bq25505 中已有的更簡單的線性跟蹤 MPPT 算法相比，增加了更多的復雜性和功耗。

　　總體權衡取決于應用所需的電量、太陽能電池的大小以及子系統正在處理的其他功能。很可能有一個系統微控制器處理其他功能，這些功能也可用于運行 MPPT 算法。

　　數字電源管理還需要處理各種存儲元件的特性；確保避免欠壓和過壓情況。

　　為防止損壞存儲元件，最大和最小電壓均根據內部編程欠壓 （VBAT_UV） 和用戶可編程過壓 （VBAT_OV） 電平進行監控。當電池或電容器上的電壓降至預設臨界水平以下時，管理子系統還會切換電池良好標志以向外部微控制器發出信號。這應該會觸發負載電流的脫落，以防止系統進入欠壓狀態。

　　過壓和電池正常 （VBAT_OK） 閾值是獨立編程的，因此 bq25505 和外部控制器（例如 MSP430）可以采用不同的電源管理選項。這突出了能量收集子系統和外部控制器中電源管理的平衡。

　　自主多路復用

　　除了升壓充電前端之外，bq25505 還為系統提供自主電源多路復用器柵極驅動。這允許自主多路復用兩個存儲元件，以便為系統負載提供單個電源軌。該多路復用器使用 VBAT_OK 閾值，用戶可以通過電阻對其進行編程。這允許用戶在系統由能量收集器存儲元件供電時設置電平，例如，用于臨時電源支持的可充電電池或超級電容器或諸如兩節 AA 電池的初級不可充電電池。

　　這種類型的混合系統架構允許根據收割機的可用能量來延長典型電池供電系統的運行時間。如果沒有足夠的能量來運行系統，則主電池會在 8 μs 內自動切換到主系統電源軌，以提供不間斷的運行。

　　毫微功耗管理

　　bq25505 的效率是通過專有的 Nano-Power 管理模塊和算法實現的。這會采樣并保持 VSTOR 電壓以降低平均靜態電流，從而使內部電路僅在短時間內處于活動狀態，然后在剩余的時間段內以最低可行占空比關閉。這在圖 3 中進行了演示，其中監控了圖 1 中的 VRDIV 節點。

　　圖 3：監控 VRDIV 節點，這是 bq25505 毫微功耗管理的關鍵部分

　　這里 VRDIV 節點在第一個脈沖上提供到 VSTOR 電壓的連接，然后在短時間內為 VBAT_OV 和 VBAT_OK 電阻分壓器生成參考電平。作為遲滯控制的一部分，每 64 ms 將每個引腳的分壓值與 VBIAS 進行比較，由于這會偏置電阻串，因此只有在管理電路進行連接時，通過這些電阻的電流才有效。這降低了電阻器中的總靜態電流，并有助于最大限度地降低總功耗。

　　結論

　　實施能量收集充電子系統需要密切關注功率預算。使用 MPPT 等數字電源管理技術來優化從太陽能電池或熱發電機等來源捕獲的能量，可以通過電源控制器中已經實現的簡單算法或通過在外部超低功耗控制器上運行的更復雜算法來實現。電源微控制器。諸如 bq25505 之類的充電器還可以為欠壓、過壓和故障轉移保護提供數字電源管理，這對于保護儲能設備（無論是可充電電池還是超級電容器）至關重要。