開發(fā)具有能量收集源的系統(tǒng)可能是一項挑戰(zhàn)，低電壓和不規(guī)則電壓使設計人員難以為工業(yè)物聯(lián)網(IIoT)中使用的無線傳感器網絡提供穩(wěn)定的電源。

低成本和高可靠性在工業(yè)物聯(lián)網中比數(shù)據(jù)速率更重要，半導體供應商已經將他們自己的評估系統(tǒng)整合在一起，以幫助設計人員找到最好的方法來利用它們周圍的能量為各種節(jié)點供電源。

使用能量收集將可充電電池的使用時間從一年延長到十年，大大降低了工業(yè)物聯(lián)網網絡的運營成本，無需更換數(shù)萬個傳感器中的電池。這不僅可以補償無線節(jié)點的額外復雜性。在某些情況下，設計人員甚至可以完全消除電池，以節(jié)省網絡運營的進一步成本和復雜性。

有些比其他更為成熟。光伏太陽能電池能夠以可預測的電壓提供定期電流供應，甚至可以從工廠車間的室內熒光燈照明。這可以與針對能量收集進行優(yōu)化的電源管理器一起使用，例如STMicroelectronics的超低功耗SPV1050，它實現(xiàn)了最大功率點跟蹤算法(MPPT)，輸入電壓范圍為75 mA。

除了MPPT功能外，SPV1050還集成了降壓 - 升壓轉換器的開關元件，通過嚴密監(jiān)控充電結束和最小電池電壓，可以對任何電池(包括薄膜電池)充電。以避免過度放電并保持電池壽命。

MPPT可通過電阻輸入分壓器進行編程(參見圖1)，并允許在任何溫度和輻照度條件下最大化源功率?？梢允褂梦凑{節(jié)的電壓輸出(例如，提供微控制器)，同時嵌入兩個完全獨立的低壓差穩(wěn)壓器(LDO)，為傳感器和RF收發(fā)器供電，以便輕松實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網的節(jié)點。兩個LDO(1.8 V和3.3 V)均可通過兩個專用引腳獨立使能，為這些外部器件供電。

圖1：STMicroelectronics的SPV1050使用MPPT控制器用于光伏電池，但也可以與熱能發(fā)電機一起使用。

然而，該設備不僅僅是光伏電池，因為輸入電壓范圍從75 mV到18 V，效率很高降壓 - 升壓和升壓配置均可支持熱能生成(TEG)源。它們通常使用珀耳帖效應從溫差產生電流，并且可以具有廣泛變化的輸出電壓。

SPV1050還具有針對充電結束和欠壓保護電壓的微調功能，以確保匹配任何電源和電池。

這用于STEVAL-ISV020V1評估板(圖2)，該評估板使用SPV1050實現(xiàn)具有特定跳線和測試點的降壓 - 升壓DC-DC轉換器，以幫助開發(fā)人員找到最佳系統(tǒng)配置。

該板針對2.6 V和9 V之間的PV面板進行了優(yōu)化，輸入電流范圍為10 mA至20 mA。這用于使用3.7 V欠壓保護閾值(VUVP)和4.2 V充電結束電壓閾值(VEOC)為電池充電。

圖2：STEVAL-ISV20V1評估板允許不同的光伏陣列和TEG源與SPV1050電源管理器一起使用。

通過改變輸入和輸出電阻分區(qū)，CIN電容和MPPT控制VMPP_SET，不同可以使用PV板?？梢暂p松更改欠壓和充電結束閾值(VUVP低至2.2 V，VEOC高達5.3 V)，以支持TEG源和不同的電池負載。

同樣，ADI公司已經使用其能量收集評估板來幫助開發(fā)人員將其ADP5090低壓電源管理器用于能量收集源。

ADI公司開發(fā)了一種多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的參考設計，該系統(tǒng)采用能量采集，旨在實現(xiàn)極其緊湊的外形。

為這樣的系統(tǒng)供電需要考慮各種其他設備，例如數(shù)據(jù)轉換器和通信設備，這些設備在評估板上進行配置和演示。

這包括AD7091R-5 12位，超低功耗，逐次逼近型模數(shù)轉換器(ADC)，采用2.7 V至5.25 V單電源供電，需要與電源和電池相匹配。

ADC還包括片上轉換時鐘，精確基準電壓源和I 2 C接口，可在標準100 kHz模式和400 kHz快速模式下工作轉換過程和數(shù)據(jù)采集在快速模式下提供最大22.22 kSPS的吞吐率。

ADC具有自動循環(huán)模式，允許用戶將ADC配置為自主操作，用于監(jiān)視用戶定義范圍之外的事件。這通常用于監(jiān)視選擇的通道，其中限制寄存器被編程為通過警報功能發(fā)出超出范圍的信號。

為此，ADP5090集成升壓調節(jié)器可轉換來自光伏電池或TEG源的功率輸入功率范圍為16μW至200 mW，可為電池或超級電容器充電，ADP5090的SYS電壓輸出為圖3所示的整個電路供電。

圖3：將ADP5090能量收集功率管理器與用于自供電多通道數(shù)據(jù)采集模塊的ADC相結合。

要考慮的器件的一個關鍵特性是內部冷啟動電路，它允許它在低至380 mV的輸入電壓下開始工作。來自PV電池或TEG的能量在ENERGY_IN時引入，當這超過380 mV時，ADP5090進入冷啟動狀態(tài)。然后器件退出冷啟動，當SYS電壓超過VSYS_TH(通常為1.93 V)時，主升壓使能。邏輯高電平(PGOOD)等于SYS電壓，因此當達到電池端電壓時，主升壓充電器關閉。然后，這將為電路板上的其他設備提供電源流。

然而，根據(jù)所使用的儲能設備的類型，可以進行優(yōu)化，這些是由電阻器的比率提供的。某些引腳如圖4所示。這些比率需要針對不同的超級電容器和可充電電池進行計算，以滿足更高或更低的能量需求，但參考電路為工業(yè)物聯(lián)網的無電池傳感器提供了出色的起點。/p>

圖4：ADP5090電源管理器的能量收集電路。

ADP5090升壓調節(jié)器以脈沖頻率模式工作(PFM )，將存儲在輸入電容器中的能量傳輸?shù)絊YS和一個50 mF，3.5 V超級電容器。 PGOOD閾值由外部連接器設置，表示SYS電壓處于可接受的電壓，如圖5b所示，其中RPG1和RPG2是圖4中的值.VREF_ADP5090通常為1.21 V。

ADP5090還配備了電池過充電和放電保護閾值，這些閾值也由外部電阻設置。為了防止過充電，電池端電壓的上升閾值如圖5b所示，其中RTERM1和RTERM2是圖4中的值。

圖5b ：保護電池免于過度充電和過度放電

為防止深度放電，電池放電關斷電壓的下降閾值如圖5c所示，其中RSD1和RSD2是圖4中的值。

圖5c：電池放電關閉的下降閾值以保護電路的其余部分

此參考設計無需外部電路電池為電路供電，CN-0372電路板使用超級電容為小型電子設備和無電池系統(tǒng)供電，可以放置在工業(yè)物聯(lián)網的任何地方收集數(shù)據(jù)。添加可充電電池并改變電阻比以保護它可以為添加其他設備(如無線收發(fā)器模塊)提供更高的峰值電流。

圖6：ADI公司的EVAL-CN0372-PMDZ能量收集評估板

結論

使用評估板評估電能管理設備的能量收集是必不可少的工具，但仍有優(yōu)化工程師探索以獲得最有效的應用解決方案?，F(xiàn)代電力管理器支持光伏電池或熱發(fā)電機從環(huán)境中獲取能量，評估板證明可以實現(xiàn)具有這種設備的無電池傳感器節(jié)點，以及具有電池的系統(tǒng)以支持更高的峰值電流要求。這為工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)設計人員在開發(fā)網絡節(jié)點時提供了更大的靈活性，而無需擔心電源供應。