無論是否有任何功能增強，消費者對移動電子產品的需求都具有更長電池壽命的默許期望。能量收集技術可以幫助工程師大大延長原電池的使用壽命。對于設計人員而言，隨著ADI公司，Cymbet公司，凌力爾特公司和德州儀器公司等專用IC的推出，構建電池擴展器電路的任務變得非常容易。

能量收集提供了一種嚴格為許多應用提供電力的方法來自環境能源，包括太陽能，溫差，振動或射頻能量。對于這些“零功耗”設計，可用的環境能量超出了設計功耗要求 - 通常是因為應用程序帶來了使用超低功耗組件輕松滿足的最低功能要求。但是，對于其他應用，更復雜的應用要求可以將發電/消耗比從零功率解決方案中提取出來，而不是需要一個或多個原電池。即使在這些情況下，設計人員仍然會發現自己面臨著功率要求和總電池容量之間不斷增長的差距。當差距過大時，消費者對產品不滿意，認為太頻繁需要更換電池或充電。

雖然設計人員可以采用多種節電技術，但延長電池的基本方法生命在于降低其平均輸出電流。更高電流負載意味著更短的電池壽命，即使從幾年到幾個月，電流負載從1μA上升到10μA，典型的非可充電原電池，如松下BR1225，BR1632，BR2330和BR3032鋰電池 - 電池（圖1）。通過提供備用電源，能量采集技術可以使設計人員降低主電池的平均電流輸出，從而延長其使用壽命。

圖1：一個小的變化平均電流負載可導致非可充電一次電池的壽命發生較大變化（由Maxim Integrated提供）。

大多數能量采集設計的基礎，復雜的電源管理IC管理環境能源的能量輸出傳感器，處理能量存儲設備（如薄膜電池或超級電容器）的充電，并向負載提供所需的電源電壓。在某些情況下，設計人員可以使用電源管理器件和模擬開關組合構建簡單的電池擴展器電路。

在簡單的電池擴展器電路（圖2）中，ADI公司的ADG719模擬開關將用于切換為主電池和存儲設備（如Cymbet CBC3150）之間的負載供電。該電路的核心是電源監控IC（例如ADI公司的ADM6316），用于檢測CBC3150存儲設備的良好電壓輸出。在這種情況下，電源管理器IC將激活ADG719模擬開關并啟用低壓差（LDO）穩壓器，例如Texas Instruments TPS780330220DDCR，以向負載提供穩壓輸出電壓。

圖2：模擬開關和電源管理IC通過盡可能將輸出負載切換到存儲設備，為簡單的電池擴展器提供了基礎（由Cymbet提供）。一鍵該設計中的元件是Cymbet CBC3150，它在單個器件中集成了薄膜存儲器件和電源管理電路。在正常工作期間，EnerChip IC使用其片上電荷泵為其內部薄膜存儲充電，其工作電壓為2.5 V至5.5 V.當器件的電源電壓低于用戶定義的閾值電壓時，IC將發出此信號事件并將薄膜存儲設備的電壓路由到VOUT。

電池擴展器IC

某些能量收集設備專門用于支持電池壽命延長。例如，凌力爾特公司的LTC3107可以無縫地安裝到從主電池供電的現有應用中（圖3）。 LTC3107使用從熱電發電機（TEG）收集的能量來減少主電池的負載，從而延長其使用壽命。

圖3：凌力爾特公司LTC3107旨在延長電池壽命，該電路采用CR2032紐扣電池等原電池供電（圖書采用Linear Technology公司提供）。升壓轉換器，LTC3107可以從TEG獲取能量，提供低至20 mV的電壓。除了為外部MCU供電的2.2 V LDO輸出外，該器件還提供主輸出電壓，可自動調整以匹配主電池的電壓。無論何時獲得能量，LTC3107都可以無縫地從電池電源轉換為收集電源，從而延長電池的使用壽命。該器件還可用于對標準電容器或超級電容器進行涓流充電，以存儲多余的收集能量，從而進一步延長電池壽命。

使用原電池時，器件在VBAT上僅吸收80 nA電流，此外還有最小的漏電流。 VBAT去耦電容。如果取下電池，VBAT去耦電容將繼續保持VBAT電壓，VBAT電壓會因泄漏而緩慢衰減。例如，使用標稱值為20μF且VBAT上漏電流為0.1μA的去耦電容，VOUT將以大約每秒5 mV的速率衰減 - 衰減率通常可以在電池更換期間繼續運行。

電源優先級《 br》凌力爾特公司的LTC3330提供更加復雜的功能，可延長主電池的使用壽命。該器件包括一個片上降壓 - 升壓型DC/DC轉換器，用于為外部初級電池單元的負載供電。此外，該器件還包括一個完整的能量收集電源 - 包括一個集成的全波橋式整流器和一個高壓降壓轉換器，用于為各種形式的環境能量供電，包括壓電，太陽能或磁源。

在工作期間，器件可以將DC/DC轉換器的輸出引導至其單輸出（圖4）。當收獲能量可用時，收割機的降壓轉換器提供電力，將電池上的靜態電流消耗減少到基本為零，從而延長電池的使用壽命。當收集的能量不足時，電池通過其專用的降壓 - 升壓轉換器為VOUT供電。

在此設備的核心，輸入優先級確定是使用能量收集輸入還是電池輸入為VOUT供電。如果電池為降壓 - 升壓轉換器供電并且收集的能量超過閾值電壓，優先級將關閉電池轉換器并打開能量收集轉換器以提供保持VOUT調節的平滑過渡。當可收集的能量低于閾值水平時，如果電池電壓高于1.8 V，優先級將切換回電池，同時保持穩定。如果電池電壓低于1.8 V，LTC3330優先級將不會重新啟用電池降壓 - 升壓轉換器并且VOUT將崩潰，直到有足夠的可收集能量（或更換電池）。

圖4：凌力爾特公司LTC3330使用片上優先級電路切換初級輸出當有足夠的收獲電力時，電池可以用于能量收集源（由Linear Technology提供）。

結論

即使需求加速增加功能更豐富的產品，對更長電池壽命的期望仍然有增無減。對于面臨不斷增長的功率預算的設計人員而言，利用能量收集技術來延長電池壽命的能力提供了一種減少功率要求和電池壽命之間差距的重要方法。使用可用的電源管理IC和專用設備，工程師可以采用能量收集來減少原電池的負載，從而延長其使用壽命。