無論是否有任何功能增強(qiáng)，消費(fèi)者對移動電子產(chǎn)品的需求都具有更長電池壽命的默許期望。能量收集技術(shù)可以幫助工程師大大延長原電池的使用壽命。對于設(shè)計(jì)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(gòu)建電池?cái)U(kuò)展器電路的任務(wù)變得非常容易。

能量收集提供了一種嚴(yán)格為許多應(yīng)用提供電力的方法來自環(huán)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(shè)計(jì)，可用的環(huán)境能量超出了設(shè)計(jì)功耗要求 - 通常是因?yàn)閼?yīng)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(yīng)用，更復(fù)雜的應(yīng)用要求可以將發(fā)電/消耗比從零功率解決方案中提取出來，而不是需要一個(gè)或多個(gè)原電池。即使在這些情況下，設(shè)計(jì)人員仍然會發(fā)現(xiàn)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(dāng)差距過大時(shí)，消費(fèi)者對產(chǎn)品不滿意，認(rèn)為太頻繁需要更換電池或充電。

雖然設(shè)計(jì)人員可以采用多種節(jié)電技術(shù)，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(fù)載意味著更短的電池壽命，即使從幾年到幾個(gè)月，電流負(fù)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(shù)可以使設(shè)計(jì)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(gè)小的變化平均電流負(fù)載可導(dǎo)致非可充電一次電池的壽命發(fā)生較大變化（由Maxim Integrated提供）。

大多數(shù)能量采集設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，復(fù)雜的電源管理IC管理環(huán)境能源的能量輸出傳感器，處理能量存儲設(shè)備（如薄膜電池或超級電容器）的充電，并向負(fù)載提供所需的電源電壓。在某些情況下，設(shè)計(jì)人員可以使用電源管理器件和模擬開關(guān)組合構(gòu)建簡單的電池?cái)U(kuò)展器電路。

在簡單的電池?cái)U(kuò)展器電路（圖2）中，ADI公司的ADG719模擬開關(guān)將用于切換為主電池和存儲設(shè)備（如Cymbet CBC3150）之間的負(fù)載供電。該電路的核心是電源監(jiān)控IC（例如ADI公司的ADM6316），用于檢測CBC3150存儲設(shè)備的良好電壓輸出。在這種情況下，電源管理器IC將激活A(yù)DG719模擬開關(guān)并啟用低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，例如Texas Instruments TPS780330220DDCR，以向負(fù)載提供穩(wěn)壓輸出電壓。

圖2：模擬開關(guān)和電源管理IC通過盡可能將輸出負(fù)載切換到存儲設(shè)備，為簡單的電池?cái)U(kuò)展器提供了基礎(chǔ)（由Cymbet提供）。一鍵該設(shè)計(jì)中的元件是Cymbet CBC3150，它在單個(gè)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(nèi)部薄膜存儲充電，其工作電壓為2.5 V至5.5 V.當(dāng)器件的電源電壓低于用戶定義的閾值電壓時(shí)，IC將發(fā)出此信號事件并將薄膜存儲設(shè)備的電壓路由到VOUT。

電池?cái)U(kuò)展器IC

某些能量收集設(shè)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(xiàn)有應(yīng)用中（圖3）。 LTC3107使用從熱電發(fā)電機(jī)（TEG）收集的能量來減少主電池的負(fù)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(zhuǎn)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(diào)整以匹配主電池的電壓。無論何時(shí)獲得能量，LTC3107都可以無縫地從電池電源轉(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)電容器或超級電容器進(jìn)行涓流充電，以存儲多余的收集能量，從而進(jìn)一步延長電池壽命。

使用原電池時(shí)，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(xù)保持VBAT電壓，VBAT電壓會因泄漏而緩慢衰減。例如，使用標(biāo)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(xù)運(yùn)行。

電源優(yōu)先級《 br》凌力爾特公司的LTC3330提供更加復(fù)雜的功能，可延長主電池的使用壽命。該器件包括一個(gè)片上降壓 - 升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于為外部初級電池單元的負(fù)載供電。此外，該器件還包括一個(gè)完整的能量收集電源 - 包括一個(gè)集成的全波橋式整流器和一個(gè)高壓降壓轉(zhuǎn)換器，用于為各種形式的環(huán)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(zhuǎn)換器的輸出引導(dǎo)至其單輸出（圖4）。當(dāng)收獲能量可用時(shí)，收割機(jī)的降壓轉(zhuǎn)換器提供電力，將電池上的靜態(tài)電流消耗減少到基本為零，從而延長電池的使用壽命。當(dāng)收集的能量不足時(shí)，電池通過其專用的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器為VOUT供電。

在此設(shè)備的核心，輸入優(yōu)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(zhuǎn)換器供電并且收集的能量超過閾值電壓，優(yōu)先級將關(guān)閉電池轉(zhuǎn)換器并打開能量收集轉(zhuǎn)換器以提供保持VOUT調(diào)節(jié)的平滑過渡。當(dāng)可收集的能量低于閾值水平時(shí)，如果電池電壓高于1.8 V，優(yōu)先級將切換回電池，同時(shí)保持穩(wěn)定。如果電池電壓低于1.8 V，LTC3330優(yōu)先級將不會重新啟用電池降壓 - 升壓轉(zhuǎn)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(yōu)先級電路切換初級輸出當(dāng)有足夠的收獲電力時(shí)，電池可以用于能量收集源（由Linear Technology提供）。

結(jié)論

即使需求加速增加功能更豐富的產(chǎn)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(yù)算的設(shè)計(jì)人員而言，利用能量收集技術(shù)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(shè)備，工程師可以采用能量收集來減少原電池的負(fù)載，從而延長其使用壽命。