環(huán)境能源可以提供幾乎連續(xù)的功率來運行超低功耗電路。然而，當(dāng)環(huán)境源波動很大并且可能損害足夠的穩(wěn)態(tài)功率時，備用電源可以使這些應(yīng)用保持運行，甚至可以提供峰值功率突發(fā)所需的能量。使用可用的能量存儲設(shè)備和電源管理IC，工程師可以構(gòu)建能量收集電路，即使環(huán)境功率暫時存在間隙或功耗間歇性峰值，也能夠更可靠地保持功能。

超低功耗IC使電路設(shè)計人員能夠在各種應(yīng)用中利用能量收集技術(shù)。在最簡單的設(shè)計中，能量傳感器將環(huán)境能量轉(zhuǎn)換為足以為超低功耗ADC，DAC和MCU供電的水平。在無線傳感器等應(yīng)用中，無線電操作會引入間歇性峰值功率需求（圖1）。即使持續(xù)時間最短的無線電突發(fā)，峰值功率要求也很容易超過低能量環(huán)境源的瞬時功率水平（表1）。

圖1：即使是功率最高的IC，無線通信也會在接收和發(fā)送操作期間增加大量功率需求（德州儀器提供）。

表1：主要環(huán)境源的典型采集功率（由Imec提供）。

除了無線應(yīng)用中的電源突發(fā)外，當(dāng)光源被阻擋，振動模式安靜或其他環(huán)境源暫時暫停時，環(huán)境供電設(shè)計可能會面臨停電期。在這些情況下，完全斷電需要序列重啟操作，以確保在能量收集子系統(tǒng)通電后應(yīng)用電路以正確的功率水平啟動。實際上，當(dāng)從缺乏所需環(huán)境源的長期存儲區(qū)域移除能量收集模塊時，任何能量收集設(shè)計都可能面臨這種情況。對于諸如無線傳感器之類的應(yīng)用，期望可靠地提供接近連續(xù)的監(jiān)測參數(shù)數(shù)據(jù)流，由于間歇性功率損耗而反復(fù)重新初始化設(shè)計的需要是不可接受的。

為了確保在峰值需求期間運行甚至間歇性地?fù)p失環(huán)境源，能量采集設(shè)計通?；诎芰看鎯拖嚓P(guān)電源管理控制器的電力系統(tǒng)（圖2）。除了為每個系統(tǒng)組件提供專用設(shè)備外，集成設(shè)備還可根據(jù)能量收集為許多應(yīng)用提供完整的解決方案。

圖2：對于由環(huán)境能量供電的典型無線傳感器設(shè)計，能量存儲和功率控制器是必要的補充，以支持無線子系統(tǒng)的峰值功率需求（圖片由瑞薩）。

薄膜鋰離子儲能裝置通常選用超級電容器，以滿足長期存儲需求;反過來，超級電容器非常適用于以高電流負(fù)載短脈沖為特征的應(yīng)用。諸如Cymbet EnerChip?固態(tài)電池之類的薄膜存儲設(shè)備具有較低的自放電率，并在較大的放電周期內(nèi)保持穩(wěn)定的輸出電壓。

為了實現(xiàn)存儲設(shè)備的充電電路，設(shè)計人員可以使用保護(hù)設(shè)備，如凌力爾特公司的LTC4071，它提供充電和電池保護(hù)功能。 LTC4071專為能量收集等極低功耗應(yīng)用而設(shè)計，可以從極低電流，間歇或連續(xù)充電電源為鋰離子電池充電。 LTC4071具有近零電流，低電池閉鎖斷開功能，可在電池電壓過低時將電路與電路斷開，從而保護(hù)電池免受過放電和潛在的無法修復(fù)的損壞。

Cymbet還在其EnerChip CC CBC3105中提供集成的充電和保護(hù)功能，該功能將電源管理電路與固態(tài)電池相結(jié)合（圖3）。在正常操作期間，EnerChip CC使用內(nèi)部電荷泵為受控電壓充電。當(dāng)主電源電壓低于用戶設(shè)定的閾值電壓時，器件將片上存儲器件輸出路由至VOUT。

圖3：Cymbet EnerChip CC將片上能量存儲與集成電源管理功能相結(jié)合，能夠支持多個固態(tài)電池（由Cymbet提供）。

為了向應(yīng)用電路提供穩(wěn)壓電源，工程師可以使用超低功耗低壓差（LDO）穩(wěn)壓器（如ADI公司的ADP162）和欠壓檢測器等實現(xiàn)簡單的控制器（再次參見圖1）作為安森美半導(dǎo)體的NCP302控制器，它提供欠壓鎖定和過壓保護(hù)。通過將NCP302的輸出連接到ADP162的關(guān)斷引腳，工程師可以確保僅在電源電壓達(dá)到適當(dāng)電平時才為負(fù)載供電。

凌力爾特公司的LTC3588-1為能量收集提供單芯片解決方案，LTC3588-1集成了用于從傳感器獲取能量的電路和電源管理電路，為負(fù)載提供穩(wěn)壓輸出。使用Linear LTC4071進(jìn)行電池保護(hù)，這些器件的組合簡化了帶有備用電源的能量收集應(yīng)用的設(shè)計（圖4）。

圖4：凌力爾特公司LTC3588-1與Linear LTC4071電池保護(hù)器件配合使用，可提供完整的電池備份能量收集解決方案。這里，這些裝置被配置為使用壓電換能器來獲取振動能量（Courtesy of Linear Technology）。

德州儀器（TI）BQ25504等設(shè)備進(jìn)一步簡化了能量采集設(shè)計中的備用電源的實施。 BQ25504專為能量采集應(yīng)用而設(shè)計，結(jié)合了片上電池充電器和升壓轉(zhuǎn)換器，能夠從低壓電源中提取電能。該器件需要330 mV才能啟動升壓轉(zhuǎn)換器，但一旦啟動，它就可以從低至80 mV的輸入電壓中獲取能量。

同樣，Maxim Integrated MAX17710為低壓能量收集和電池管理提供集成解決方案。能夠從低至75 mV的電源獲取能量，只要輸入電壓超過存儲設(shè)備電壓，該設(shè)備就可以直接從環(huán)境源為存儲設(shè)備充電。當(dāng)存儲電壓上升到規(guī)定閾值以上時，輸入線性穩(wěn)壓器開啟以保護(hù)存儲設(shè)備免于過充電。當(dāng)存儲設(shè)備放電至閾值電壓時，器件的欠壓鎖定（UVLO）功能會禁用輸出電壓調(diào)節(jié)器，斷開負(fù)載以保護(hù)存儲設(shè)備免于過放電（圖5）。

圖5：Maxim Integrated Products的MAX17710等集成能量采集器件提供電池保護(hù)功能，可斷開負(fù)載以保護(hù)存儲設(shè)備免受過放電的影響（圖片由Maxim Integrated Products）。

結(jié)論

電源備份有助于確保從環(huán)境源供電的電路的長期功能，這些電路的能量輸出可能差異很大。對于諸如無線傳感器之類的設(shè)計，其間歇性峰值功率要求超過這些源的穩(wěn)態(tài)功率輸出，備用電源對于正常操作至關(guān)重要。通過結(jié)合使用固態(tài)存儲設(shè)備和電池保護(hù)組件，設(shè)計人員可以輕松地為超低功耗能量采集設(shè)計添加電源備份功能。