凯利讯的能量收集技术延长电池寿命

　　消费者对移动电子产品的渴望，无论其功能增强如何，都具有更长的电池寿命的默认预期。能量收集技术可以帮助工程师显著延长一次电池的使用寿命。对于设计者来说，构建电池扩展电路的任务已经变得非常容易，从模拟设备、CyMbT、线性技术和德克萨斯仪器等方面获得了专门的IC。

　　能量收集提供了一种手段，从环境能源，包括太阳能，温度差，振动或射频能量严格应用的许多应用。对于这些“零功率”的设计，可用的环境能量超过设计功率要求——通常是因为应用带来了使用超低功率组件容易满足的最小功能要求。

　　然而，对于其他应用，更复杂的应用需求可以使发电/消耗率远离零功率解决方案，而决定了对一个或多个原电池的需求。即使在这些情况下，设计者仍然可以发现自己面临着电力需求和总电池容量之间的差距越来越大。当差距过大时，消费者会对产品不满，认为产品过于频繁，需要更换电池或充电。

　　降低电池负载

　　虽然设计者可以采用不同的节电技术，但延长电池寿命的根本方法在于降低其平均输出电流。更高的电流负载意味着更短的电池寿命，即使在典型的不可再充电一次电池(例如松下BR1225、BR1632、BR23 30和Br3032锂电池)中的电流负载从1μA上升到10μA时，从几年下降到仅仅几个月(图1)。通过提供备用电源，能量收集技术可以使设计者减少来自一次电池的平均电流输出，从而延长其寿命。

　　MAXIM集成非充电一次电池寿命图像

　　图1：平均电流负载的微小变化会导致非充电初级硬币电池寿命的极大变化(Maxim-集成的礼貌)。

　　在大多数能量收集设计的基础上，复杂的功率管理IC管理来自环境能量转换器的能量输出，处理诸如薄膜电池或超级电容器之类的能量存储装置的充电，并向负载提供所需的供电电压。在某些情况下，设计者可以使用功率管理设备和模拟开关的组合来构建简单的电池扩展电路。

　　在简单的电池扩展电路(图2)中，模拟装置ADG719模拟开关将用于将电源切换到原电池和存储装置(如CyMbbe CBC3150)之间的负载。在该电路的核心，电源监控器IC(如模拟设备ADM6316)用于检测来自CBC3150存储设备的良好电压输出。在这种情况下，电源监控器IC都将激活ADG719模拟开关，并使低辍学(LDO)调节器，如德克萨斯仪器TPS780330220DDCR，以提供一个调节输出电压到负载。

　　CyBET模拟开关和电源管理IC的图像

　　图2：模拟开关和电源管理IC通过简单地将输出负载切换到存储设备(提供CyMbT)，为简单的电池扩展器提供基础。

　　在这个设计中的一个关键部件是CyMbter CBC3150，它集成了薄膜存储设备和单个设备中的电源管理电路。在正常工作期间，EnnCube IC使用其片上电荷泵对其内部薄膜存储器进行充电，其工作在2.5 V到5.5 V。当器件的电源低于用户定义的阈值电压时，IC将发出该信号并路由薄膜存储器件的VTART。GE到VOUT。

　　电池扩展芯片

　　一些能量收集装置被专门设计用于支持电池寿命延长。例如，线性技术LTC3107被设计成无缝地装配到从主电池运行的现有应用中(图3)。LTC3107使用从热电发电机(TEG)中收集的能量来减少一次电池上的负载，从而延长其寿命。

　　线性技术图像LTC3107

　　图3：线性技术LTC3107设计用于延长电池的寿命，该电路由主电池如CR2032硬币电池(线性技术)构成。

　　使用其内部升压转换器，LTC3107可以从TEGS获得能量，提供低至20 mV的电压电平。随着用于外部MCU供电的2.2伏LDO输出，该装置提供了一种主输出电压，其自动适应以匹配一次电池的电压。每当获得能量时，LTC3107无缝地从电池功率过渡到收获功率，延长电池的寿命。该装置还可用于涓流充电标准电容器或超级电容器，以存储多余的收获能量，进一步延长电池寿命。

　　当使用主电池时，除了VBAT去耦电容器的最小泄漏电流之外，该器件仅在VBAT上绘制80 NA。如果电池被移除，VBAT去耦电容器将继续保持VBAT电压，VBAT电压将由于泄漏而缓慢衰减。例如，在VBAT上有20μF标称和0.1μA泄漏的去耦电容器，VOUT将以每秒约5 mV的速率衰减，这将通常允许在电池更换期间继续操作。

　　功率优先化

　　线性技术的LTC33 30提供更复杂的功能，延长一次电池寿命。该装置包括用于从外部初级电池单元供电的片上降压-升压DC/DC转换器。此外，该装置包括完整的能量收集电源，其包括集成的全波桥式整流器和高压降压转换器，以从不同形式的环境能量(包括压电、太阳能或磁源)向负载供电。

　　在操作期间，该设备可以将任一DC / DC转换器的输出引导到其单个输出(图4)。当收获的能量可用时，收割机的降压转换器提供电源，将电池上的静态电流减少到基本上为零，从而延长电池的寿命。当收获能量不足时，电池通过其专用降压-升压转换器向VUT供电。

　　在该装置的核心，输入优先器确定是否使用能量获取输入或电池输入来对VOUT进行供电。如果电池正在为降压-升压转换器供电，并且收获的能量超过阈值电压，则优先器将关闭电池转换器并接通能量收集转换器，以提供维持VOUT调节的平滑过渡。当可收获能量低于阈值水平时，如果电池电压高于1.8 V，则优先器将切换到电池，同时保持调节。如果电池电压低于1.8 V，LTC33 30优先器将不会重新启用电池降压-升压转换器，VOUT将COLL。直到获得足够的可收获能量(或者更换电池)。

　　线性技术图像LTC33 30

　　图4：线性技术LTC33 30使用一个片上优先化电路，当足够的收获功率可用时(线性技术)，将一个主电池的输出转换为能量收集源。

　　结论

　　即使需求加速，更多的功能丰富的产品，预期更长的电池寿命继续不减。对于面临日益增长的电力预算的设计者来说，利用能量收集技术来延长电池寿命的能力为减少电力需求和电池寿命之间的差距提供了重要的途径。使用可用的电源管理IC和专用设备，工程师可以使用能量收集来减少一次电池上的负载，从而延长其寿命。