隨著公司轉(zhuǎn)向采用環(huán)境供電為電路供電的能量收集，工程師發(fā)現(xiàn)自己面臨著各種能源，提供了截然不同的輸出功率范圍。對于使用太陽能或工業(yè)級熱能或振動能的許多能量收集應用，持續(xù)輸出功率可以輕松達到毫瓦級。然而，對于其他應用，工程師發(fā)現(xiàn)自己在微生物功率水平或以下的挑戰(zhàn)中從消費者應用中獲取來自生物資源，室內(nèi)照明或RF的功率。例如，從振動中獲取功率的無線傳感器在連接到振動時可能接近1 mW的持續(xù)輸出。工業(yè)電機，但在人體運動供電時可能只有1μW。同樣，太陽能驅(qū)動的能量收集應用可以很容易地在戶外位置獲得數(shù)十毫瓦的功率，但室內(nèi)的功率不到幾十微瓦。

對于這些應用，工程師可以使用Advanced Linear Devices，Cymbet，Infinite Power Solutions，Linear Technology，Microchip Technology，Taiyo Yuden和Texas Instruments等眾多可用組件，IC和模塊。

應對微瓦能源需要仔細考慮典型微型采集設(shè)計的每個階段（圖1）。對于電源 - 包括能量采集傳感器和電源管理部分 - 工程師需要確保設(shè)計最大化從源提取能量，并有效地積累從環(huán)境源滴入的能量，以提供與應用相關(guān)的峰值負載。

圖1：在使用環(huán)境能源供電的典型應用中，工程師需要優(yōu)化設(shè)計的每個階段。 （德州儀器公司提供。）

太陽能電池，壓電設(shè)備和熱電發(fā)電機（TEG）等能量傳感器具有特征功率輸出曲線，從開路電壓（Voc）的零點升至最大功率點（ MPP）在短路電流水平回落到零之前。對于諸如具有非線性源阻抗的太陽能電池的換能器，功率曲線相應地是非線性的（圖2），而具有作為壓電器件的換能器和具有恒定源阻抗的TEG表現(xiàn)出正常的鐘形功率曲線。然而，同時，任何換能器的MPP可以根據(jù)環(huán)境和能量波動而顯著變化，例如落在太陽能電池上的入射光或壓電裝置的能量源的頻率變化。

圖2：在典型太陽能電池的典型功率曲線中，功率輸出變化很大，在最大功率點達到峰值，負載阻抗與負載阻抗相匹配換能器源阻抗。 （由Cymbet提供。）

對于所有這些傳感器，最大化功率輸出需要通過最大功率點跟蹤（MPPT）使傳感器的負載阻抗與其源阻抗相匹配。對于諸如壓電器件和TEG的恒阻抗傳感器，可以通過將傳感器輸出電壓維持在Voc/2來實現(xiàn)MPPT。然而，對于太陽能電池，MPPT需要更復雜的方法，例如擾動和觀察算法，其通過改變輸出電壓并觀察對功率輸出的影響來主動搜索MPP。

可用設(shè)備有助于簡化高效電源管理階段的設(shè)計。設(shè)計用于低至20 mV的輸入電壓，凌力爾特公司的LTC3108和LTC3109等IC專為低輸入電壓傳感器（如TEG）而設(shè)計，只需少量元件即可為應用實現(xiàn)多電壓電源傳感器，MCU和無線設(shè)備等電路（圖3）。

圖3：設(shè)計用于低輸入電壓能量收集，諸如Linear LTC3108之類的器件集成了升壓轉(zhuǎn)換器，電壓基準，充電控制和輸出電壓調(diào)節(jié)器。 （由Linear Technology提供。）

其他設(shè)備，如Linear LTC3105和德州儀器的bq25504，采用MPPT算法，旨在保持非線性傳感器（如太陽能電池）的最大功率輸出，盡管入射能量發(fā)生變化，傳感器時代，或其他可以移動MPP的瞬態(tài)環(huán)境因素。

工程師還可以使用插入式模塊（如Advanced Linear Devices EH4295）找到讀取解決方案。 EH4295旨在提高ALD的EH300和EH300A能量收集模塊的輸入電壓，其工作電源電壓低至2μW。

此外，Cymbet CBC915能量處理器等片上系統(tǒng)（SoC）解決方案集成了完整的能量收集解決方案，包括用于儲能設(shè)備的復雜MPPT，電源管理和充電控制，例如Cymbet EnerChip? CBC050薄膜儲能裝置。

涓流充電

對于極低能源或更苛刻的應用要求，環(huán)境源提供的能量涓流可能不足以達到峰值活動期。因此，能量收集應用通常將受益于使用諸如薄膜電池或超級電容器的能量存儲裝置。

Cymbet CBC050或Infinite Power Solutions等薄膜電池THINERGY?MEC200系列提供長期存儲，具有極低的漏電流。超級電容器能夠快速釋放能量，為峰值負載提供最大功率輸出。此外，工程師可以使用多并苯（PAS）電容器等設(shè)備，將薄膜電池的大容量優(yōu)勢與超級電容器的使用壽命延長相結(jié)合。例如，太陽誘電的PAS3225P2R6143和PAS3225P3R3113等PAS電容可在相對較長的放電期間保持最大電壓輸出電平（圖4）。

圖4：太陽能登PAS3225P3R3113等PAS電容器結(jié)合了薄膜電池和超級電容器的許多優(yōu)點，在長時間放電時保持接近恒定的輸出（這里，10μA放電電流）。 （由Taiyo Yuden提供。）

最大限度地降低功耗

盡管在典型的能量收集應用的電源階段（參見圖1），最大化能量提取是最重要的，但最大限度地降低應用電路的功耗至關(guān)重要成功實施微瓦能量收集。對于應用電路，工程師可以轉(zhuǎn)向越來越多的可用MCU，這些MCU在主動和待機模式下均以最低功率運行。例如，Microchip Technology PIC24FJ128GA310 MCU在深度睡眠模式下僅消耗10 nA，在具有有源看門狗定時器的深度睡眠模式下僅消耗270 nA，在運行模式下僅消耗150μA/MHz。德州儀器（TI）的“Wolverine”MCU，例如MSP430FR5720混合信號MCU，在數(shù)據(jù)保持模式下僅消耗320 nA，在工作模式下僅消耗81.4μA/MHz。

實際上，對于旨在監(jiān)控緩慢變化特性的應用程序，設(shè)備通常在大多數(shù)時間都處于待機模式。例如，在主動與待機比為1：1，000的設(shè)計中，待機電流占系統(tǒng)功率的83％以上（表1）。因此，工程師需要特別注意候選設(shè)備的待機電流特性 - 并在確定能源預算時仔細計算待機功率要求。

有源待機比率待機時間％時間有效×IActive（μAs）TimeStandby×IStandby（μAs）總電荷（μAs）％IStandby對總功率的影響1:10 90％100 5 107 6.54％1：100 99％ 100 50 150 33％1：1，000 99.9％100 500 600 83.3％