為從環境中收集能量的源設計電源管理系統可能具有挑戰性。這些來源，從太陽能電池到振動能，甚至來自熱差的功率，都是不可預測變化的少量功率。這給必須高效運行并提供穩定輸出的電源管理系統帶來了巨大挑戰。被供電的節點中的傳感器和處理器的電壓和功率要求已經下降，因此使用能量收集源變得更加實用;但是仍有不同的方法來管理這些電力子系統。

顯然有必要優化系統中低平均功率的設計，但也有必要了解下限和上限。能量收集源。降壓/升壓轉換器將具有下限，低于該下限功率級可以關閉或不啟動，從而中斷系統的操作。這也意味著上電排序必須了解何時為每個器件和其他器件供電的影響，以便功率消耗不會將功率轉換階段推到該下限以下。

但是，還必須注意潛在的峰值功率，以避免壓倒額外的儲能元件，如電容器或電池。

使用硬件定時器和中斷而不是軟件可以降低總體電源要求，并且在系統中實現狀態指示和警報是必不可少的，以便可以使用正確的信息進行電源管理選擇。

隔離系統中的所有負載并使其可切換，為電源管理器提供了更多機會來避免問題并優化性能。這也有助于隔離任何消耗過多功率的設備。

降壓/升壓轉換器是一種適合通過壓電傳感器從運動或振動中獲取能量的架構。輸入端的保護分流器允許電源管理器容納各種不同的壓電元件，這些元件的短路電流約為10μA。

壓電源的典型電源管理器的一個例子是凌力爾特公司的LTC3588。它設計用于直接連接壓電或替代電源，整流電壓波形并將收集的能量存儲在外部電容上，并通過內部并聯穩壓器排出任何多余的電能。

集成了低損耗全波橋式整流器和高效率降壓轉換器，針對高輸出阻抗壓電源進行了優化，并通過高效同步降壓穩壓器保持穩定的輸出電壓。

超低靜態具有寬滯后窗口的電流欠壓鎖定（UVLO）模式允許電荷累積在輸入電容上，直到降壓轉換器可以有效地將一部分存儲的電荷轉移到輸出，并且降壓轉換器根據需要打開和關閉以維持調節。

知道下限的重要性的一個例子是降壓轉換器，當輸入電壓超過UVLO上升閾值以轉移充電時啟動e從輸入電容到輸出電容。 1 V UVLO遲滯窗口的閾值低于所選穩壓輸出電壓約300 mV，這可防止降壓上電期間的短暫循環。

當輸入電容電壓耗盡低于UVLO下降閾值時，降壓轉換器被禁用，450 nA的極低靜態電流允許能量從壓電源積聚在輸入電容上。遲滯由算法確定，該算法通過來自電壓感測引腳的內部反饋來控制輸出。

圖1：靜態電流欠壓鎖定（UVLO）使用滯后算法來保護壓電能量收集系統中的功率輸出。

LTC3588的四個輸出電壓顯示了能量采集源預期供電的較低電壓，從1.8 V，2.5 V和3.3 V到3.6 V，這些引腳可通過高達100 mA的連續輸出進行選擇當前。設置為20 V的輸入保護分流器可在給定量的輸入電容下實現更大的能量存儲。

低損耗橋式整流器的總壓降約為400 mV，典型的壓電發電電流約為10μA，電橋能夠承載高達50 mA的電流。所有這些都允許電容器中的電荷消除電源的間歇性質，并為傳感器或控制器提供所需的電壓。

電池通常用于從能源中收集電荷，但這些也需要保護免受過度充電或充電不足。 Maxim Integrated的MAX17710可以管理調節不良的能量收集源，輸出電平范圍為1μW至100 mW。對于0.8 V收獲源和4.1 V電池，只要收獲源可以支持，該設備可以提供超過20 mA（80 mW）的電壓。

為此，該設備包括一個增壓器用于從低至0.75 V的電源為鋰電池充電的穩壓器電路，同時用于保護電池免于過充電和內部電壓保護的內部穩壓器可防止電池過度放電。使用低壓差（LDO）線性穩壓器調節1.8 V至2.3 V至3.3 V的可選輸出電壓。

圖2： MAX17710集成了一個低壓差穩壓器，可以保護電容器或鋰電池免受充電不足。

太陽能

越來越受歡迎的能量收集來源是太陽能電池，有幾種管理來自這些細胞的力量的不同方法。這些不同的方法可通過數字圖書館免費獲得，并可在一系列評估板上進行測試。

太陽能電池的數字電源軟件庫提供代碼優化的構建模塊，可實現各種電源拓撲和算法，如最大功率點跟蹤（MPPT）和軟件鎖相環（PLL），以幫助設計優化太陽能逆變器到動力設備。

有三種基本的MPPT算法可以在微控制器中輕松測試。最流行的是擾動和觀察（P＆amp; O）算法，也稱為“爬山法”，其中控制器移動或擾亂來自陣列的電壓少量并測量功率。如果功率增加，則電壓在相同方向上稍微改變，直到達到最大功率點。然而，這可能導致一點周圍的功率輸出振蕩。

圖3a：基本的P＆amp; O算法（來源：MATHWORKS）

第二個選項，增量電導，比較對瞬時電導的增量電導。根據結果，它會增加或減少電壓，直到達到最大功率點（MPP）。與P＆amp; O算法不同，一旦達到MPP，電壓保持不變。

圖3b：增量電導算法。 （來源：MATHWORKS）

第三種MPPT方法是分數開路電壓：該算法基于最大功率點電壓始終是開路電壓的恒定分數的原理。測量太陽能電池中電池的開路電壓，并將其用作控制器的輸入。

圖4：太陽能微型逆變器的開發德州儀器（TI）的套件允許評估MPPT算法的數字庫。

這些電源管理算法可以在德州儀器的Solar Micro Inverter開發套件上進行測試，該開發套件基于Piccolo TMS320F28035微控制器，可用作完整的并網太陽能微逆變器。微逆變器的拓撲結構包括帶有次級倍壓器的有源鉗位反激式DC/DC轉換器，最大功率點跟蹤（MPPT）和并網DC/AC逆變器。單個Piccolo控制器處理功率級和MPPT算法的執行。

其他評估板，如MAX17710，允許測試不同的拓撲和算法，改變儲能元件和控制算法。

圖5：MAX17710評估板允許開發人員使用太陽能電池等能源為受保護的鋰電池充電。

結論

在能量收集源的超低功率水平下運行給電力系統開發人員帶來了許多挑戰。密切關注能源的下限和上限，使系統設計變得更加容易。開發人員還可以評估不同的控制算法并進行調整，以便為所選能源提供最有效的功率轉換，無論是太陽能電池陣列，壓電振動傳感器還是熱能源。通過選擇評估板，可以輕松測試這些產品，以及正確選擇電池或電容器。