太陽能采集為連接的傳感器，控制節(jié)點，物聯(lián)網(wǎng)設備和其他嵌入式應用提供實用的解決方案。然而，很難從需要適應這些應用的小形狀因子的太陽能電池中提取足夠的能量。

與大型能量收集應用不同，這些設計的能量收集通常會產生微量的能量。功率。設計人員在開發(fā)能夠以微瓦級別運行的子系統(tǒng)時面臨著多重挑戰(zhàn)。但是，通過使用賽普拉斯半導體的電源管理IC（PMIC），工程師可以快速實現(xiàn)能夠在這些超低功率水平下工作的能量收集電源。

能量有限

By從環(huán)境能源中獲取能量，工程師可以創(chuàng)建無限期運行而無需額外電源的設計。對于物聯(lián)網(wǎng)而言，這種方法對于過去完全依賴電池供電的小型無線系統(tǒng)尤其具有吸引力。使用能量收集，開發(fā)人員可以完全消除電池。對于更多功率密集型設計，能量收集可以大大延長電池壽命，大大消除了定期更換電池的需要。

在許多設計中，典型的太陽能收集系統(tǒng)需要大型太陽能電池或陣列來提供足夠的電力。然而，對于微型傳感器系統(tǒng)而言，大型太陽能電池由于需要緊湊的設計或目標位置的有限安裝空間而不適用。

對較小的太陽能電池的需求進一步使能量收集復雜化室內物聯(lián)網(wǎng)設計。室內光源產生非常小的照明水平，在典型的家庭中約為100至200勒克斯，在辦公室中為250至500勒克斯。即使是照明良好的區(qū)域，例如繪圖桌或工作室，也能提供比陽光照射水平低幾個數(shù)量級的光照水平。

太陽能電池制造商已經采用非晶硅等技術應對室內太陽能電池的需求。與傳統(tǒng)太陽能電池中使用的晶體硅不同，非晶硅具有不規(guī)則結構，其吸收比晶體結構更多的光。這些專用材料構成的太陽能電池，如松下Amorton系列產品，即使在極低的光照水平下也能發(fā)電（圖1）。

圖1：由熒光燈照明，設計用于室內照明的太陽能電池在照明和輸出之間呈現(xiàn)出特征關系，如此處所示電流（Iope），短路電流（Isc）和開路電壓（Voc）。 （圖片來源：Panasonic）

例如，松下Amorton AM-1801是一個53 x 25毫米的電池，在2.6伏特下產生4.60微安（μA），50勒克斯照明，在3.0伏特下產生18.5微安200勒克斯照明。這些器件用于其預期的室內應用，其輸出電流水平仍然低于設計用于戶外使用的太陽能電池所達到的數(shù)量級（圖2）。

圖2：由太陽能模擬器（SS）光源照明，設計用于室外的太陽能電池產生的電流輸出水平比使用室內電池的室內應用高出幾個數(shù)量級。 （圖片來源：Panasonic）

對于設計師而言，這些專用電池的可用性為室內照明提供能量收集設計提供了機會。困難仍然是創(chuàng)造能夠以與這些電池相關聯(lián)的微瓦功率水平操作的設計，其受限于它們在相對較差的室內位置中的預期用途。雖然設計人員可以找到超低功耗的分立元件來構建合適的能量收集解決方案，但很少有設計人員具備必要的模擬設計經驗。幸運的是，賽普拉斯半導體的能量收集PMIC的可用性允許開發(fā)人員僅使用少量支持組件將超低功耗能量收集添加到他們的設計中。

能量收集PMIC

賽普拉斯S6AE102A和S6AE103A能量收集PMIC集成了電壓控制電路，開關電路和邏輯，旨在優(yōu)化從太陽能電池或可選電池向負載供電（圖3）。該器件的輸入電路采用標稱3.3伏單元輸入（或3.0伏電池輸入）工作，具有過壓保護（OVP）功能，可監(jiān)控太陽能電池的開路電壓，以保持正常工作。為了提供穩(wěn)定的輸出電壓，該器件包括一個低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。 LDO可在寬范圍的負載電流水平下將輸出調節(jié)至50毫伏（最大值）。 S6AE103A還包括一個獨立的比較器和定時器，用于更專業(yè)的能量收集設計。

圖3：賽普拉斯半導體S6AE102A和S6AE103A PMIC集成了從小型太陽能電池獲取能量所需的所有功能，并將設備輸出切換為如果收獲的能量低于最低水平，則為電池。 S6AE103A提供其他功能（* 1和* 2）。 （圖像來源：賽普拉斯半導體公司）

即使具有廣泛的功能，4 x 4毫米器件在基本工作模式下名義上僅消耗280納安（nA），在啟用LDO時需要另外200 nA。同樣重要的是，該設備只需要很少的啟動功率，僅需1.2微瓦。因此，即使在由典型的室內照明照明的室內電池產生的非常低的功率水平下，該設備也可以開始工作。如果能量收集的電力不足，該設備使用其集成的電源開關控制塊來驅動系統(tǒng)負載來自電池電源（圖4）。

圖4：賽普拉斯S6AE102A和S6AE103A的這部分框圖側重于電源開關功能。片上開關從太陽能電池儲能電容器VSTORE1向系統(tǒng)負載供電，或者如果能量收集可用的功率低于最小值，則從硬幣電池供電。 （圖像來源：賽普拉斯半導體公司）

在工作期間，器件將采集的功率存儲在VSTORE1引腳的小型外部電容（最小100μF）上。在典型設計中，器件監(jiān)視單元輸入（VDD），電池輸入（VBAT）和VSTORE1，以確定它應將哪個源連接到其輸出引腳VOUT1和VOUT2（圖5）。

圖5：PMIC電源門控控制系統(tǒng)將芯片的集成開關組合運行，根據(jù)需要從能量收集系統(tǒng)或從電池到VOUT1和VOUT2的系統(tǒng)負載路由電源。 （圖像來源：賽普拉斯半導體公司）

最初，當VSTORE1保持低于閾值時，器件將其開關設置為從VBAT驅動VOUT1和VOUT2（圖5中的路徑S3），同時允許太陽能電池為VSTORE1充電（路徑S1）。當太陽能電池輸入驅動VSTORE1高于閾值時，設備將負載切換到VSTORE1（禁用路徑S3并啟用路徑S2）并打開SW2以斷開太陽能電池與VSTORE1（路徑S1）的連接。如果存儲在VSTORE1電容上的電源耗盡，器件會將VBAT重新連接到輸出（禁用路徑S2，同時啟用圖5中的路徑S3和S1）。

該器件還為器件提供了一種機制。儲存從太陽能電池中收集的多余能量。在這里，設計人員通常會在VSTORE2上放置一個超級電容器（最小2毫法拉）。在此配置中，當VSTORE1達到閾值且器件使能路徑S2（圖5）時，器件啟用單獨的開關（圖4中的SW5），以允許太陽能電池為VSTORE2電容充電。當VSTORE1使能時，連接VSTORE2和VSTORE1的二極管（見圖4）將多余的能量連接到輸出。

如上所述，在監(jiān)視VDD和VBAT電平時，器件以其所謂的能量驅動運行模式。該器件還提供其他工作模式，使開發(fā)人員能夠更好地控制電源路徑切換機制。在事件驅動的工作模式下，器件利用其集成定時器和控制引腳（INT）來去耦VOUT1和VOUT2，并在適當時將VDD或VBAT路由至VOUT2。 S6AE103A使用多個定時器，支持額外的定時器驅動操作模式。與事件驅動模式一樣，此特殊模式將VOUT1和VOUT2去耦，但開發(fā)人員可以使用S6AE103A的定時器分別控制電源從電源切換到VOUT1和VOUT2。

設計人員設置工作模式和定時器持續(xù)時間使用器件定時器引腳CIN0和CIN2的組合。 S6AE103A提供額外的定時器引腳CIN1，以支持其額外的事件驅動和定時器驅動工作模式。

除了控制輸出源，開發(fā)人員還可以使用VOUT1和VOUT2微調最終輸出電壓。三個電阻器作為分壓器布置在一對控制引腳上，由器件的內部參考電壓源供電。通過調整這些電阻值，開發(fā)人員可以在器件工作范圍內提高或降低最終電壓輸出。

該器件與VOUT1和VOUT2一起，通過其內部LDO穩(wěn)壓器提供額外的電壓輸出引腳VOUT_LDO。 （圖6）。與器件的VOUT1和VOUT2輸出一樣，設計人員可以通過在VOUT_LDO和FB_LDO引腳上設置電阻來調整LDO輸出電壓電平。 LDO控制引腳STBY_LDO允許工程師在正常模式和低功耗待機模式之間切換LDO，從而將LDO功耗從6μA（典型值）降至400 nA（典型值）。額外的器件引腳ENA_LDO允許工程師完全啟用或禁用LDO。

圖6：開發(fā)人員可以使用一對電阻調整低壓差提供的輸出電壓（VOUT_LDO）（ LDO）穩(wěn)壓器集成在賽普拉斯能量收集PMIC中。 （圖片來源：賽普拉斯半導體）

對于設計人員而言，器件使用少量電阻進行配置可轉換為基于這些PMIC的相對簡單的設計。除了提到的20引腳S6AE102A和24引腳S6AE103A之外，還需要很少的額外組件來實現(xiàn)能量收集設計。

使用評估套件進行簡化設計

賽普拉斯半導體CYALKIT-E04評估套件提供完整的能量收集系統(tǒng)設計，能夠從小型太陽能電池為傳感器系統(tǒng)供電。該套件與Panasonic AM-1801太陽能電池一起，包括一對能量收集板，分別展示基于S6AE102A和S6AE103A的設計（圖7）。單獨的傳感器板連接到S6AE102A/S6AE103A板，以提供來自其板載運動和光傳感器的信號，以及可用作PMIC VBAT源的可選紐扣電池。

圖7：CYALKIT-E04評估套件包括S6AE102A和S6AE103A PMIC的演示板，顯示設計人員需要實現(xiàn)的幾個外部元件基于PMIC的完整能量收集設計。 （圖像來源：賽普拉斯半導體公司）

PMIC板還提供與Arduino兼容的引腳接頭，可輕松連接到廣泛的Arduino附加板產品組合。賽普拉斯利用這一標準連接器，利用另一個開發(fā)套件CY8CKIT-042-BLE增加無線連接。

雖然超出了本文的范圍，CY8CKIT-042-BLE附加板完成了圖7中電路板右側顯示的硬件接口。賽普拉斯在其標準軟件分發(fā)版中為CYALKIT-E04評估套件提供了對該BLE套件的支持。對于設計人員而言，創(chuàng)建太陽能無線傳感器設計就像將CYALKIT-E04的傳感器和PMIC板與CY8CKIT-042-BLE板組連接一樣簡單。

結論

能源收獲可以為低功耗設計提供有效的解決方案。然而，在實踐中，很少有開發(fā)人員有時間或專業(yè)知識來設計能夠提取非常低水平的可用環(huán)境能量的能量收集電路。賽普拉斯半導體公司的PMIC僅需1.2μW即可啟動，它集成了一個完整的能量收集子系統(tǒng)，能夠從小型太陽能電池產生有用功率。

該PMIC系列只需少量外部元件，允許開發(fā)人員使用從低層室內照明中快速實施能量收集電源。