微能量采集PMIC详解：从能量来源到MPPT、冷启动、储能管理

‍能量采集技术已经面世很长时间了。

如下图所示，在能量采集系统中，采集器产生的电能必须先转换成可用的电压或电流，才能直接为系统供电，或者为超级电容、电池等中间储能元件充电。系统启动后，需要完成一系列关键任务：为电子设备提供合适的工作电压、实现输入阻抗匹配以最大化能量采集效率、为中间储能元件充电、从传统一次性电池取电、生成系统所需的输出电压，以及实时监控电流和电压——这些共同构成了一个可靠的供电系统。而所有这一切，都必须在极低的功耗条件下完成，这样系统才能搭配小型采集器或传感器使用。微能量采集PMIC将这些功能高度集成，大幅降低了实现上述任务所需的能耗。

能量采集的典型应用场景包括无线环境传感器（如温度、湿度、各类气体检测），以及便携式设备、可穿戴设备等消费电子产品。

能量采集如今备受瞩目。许多工程师都需要评估它能否替代或补充现有的供电方案。这类系统之所以当下如此流行，核心原因在于我们终于迎来了一个关键的平衡点：成本较低、体积小巧的采集器所能获取的能量，已足以驱动超低功耗微控制器和射频电路。近年来，电子技术的迭代更新与能效提升，使得五到十年前还不可行的诸多应用，如今不仅成为可能，而且具备了经济可行性。

不同的能量来源

能量有各种来源，最常见的是光伏(PV)、热电(TEG)、电磁、压电和RF。光伏和热电采集器产生直流电压，而电磁、压电和RF采集器产生交变电压或交流电压。这便使得电源转换技术的要求稍有不同。

下图展示了不同能量采集方式，以及一个尺寸为10c㎡的采集器大致能产生多少能量。这张图非常关键，能帮助我们判断设计是否切实可行。现实中经常出现这样的情况：设计人员花了大量时间和精力去评估能量采集方案，到头来却发现采集到的能量根本不够给目标系统供电。

DC-DC转换器单元的重要性

在现代能量采集系统中，电源转换与管理往往是核心组成部分。

有些系统并没有配备智能电源管理PMIC，比如将多块太阳能电池串联成电池堆栈，直接产生较高的直流电压来给系统供电，或者在电池与系统之间只加一个简单的线性稳压器。这类方案通常能效不高，电源电压也无法得到良好的调节。

有些负载可以在较宽的电源电压范围内工作，但也有不少负载对电压稳定性有要求。而且，功能更复杂的系统通常都需要某种形式的电压转换与管理模块。

上图展示的是适用于能量采集应用的电源管理器件（PMIC）MF9006的功能框图。它内部带有冷启动电路，该电路包含电荷泵，只需输入端有400 mV的电压就能启动。系统启动后，MF9006的内部电路由自身输出电压供电，这个输出端同时也是给能量采集系统负载供电的节点。冷启动完成后，即使输入电压降到150 mV，MF9006依然能继续采集能量。这个特性对那些在非理想条件下长时间运行的系统尤其有用，比如用太阳能电池供电的室内传感器。太阳能电池在早晨和傍晚光照很弱，产生的电量也很少，但如果能在这些时间段也采集一部分能量，对整个时间周期内的总功率预算会很有帮助。此外，MF9006的静态电流极低，仅580 nA，这进一步改善了系统的能耗表现。

下图给出的是一个典型的实际应用场景。当然，这只是一个参考案例，实际的光照时长和强度还要结合房间朝向、楼层、灯具数量等多种因素来综合判断。

太阳能电池的电流、功率与电压之间的关系如图5所示。电压-电流曲线呈现出一个近似膝盖形的拐点，在某个位置（图中黄色圆点处）达到最大功率点。在该点上，电压仍然维持在较高水平，同时也能输出较大的电流。为了始终工作在最大峰值功率点，我们需要对这一点进行动态跟踪，而不能简单地设一个固定电流值，因为不同光照条件下，太阳能电池的特性曲线会发生偏移。MPPT（最大功率点跟踪）功能会每隔5秒检测一次开路电压，然后根据预设的比例系数动态调整工作电压。

MPPT功能可以确保从光伏电池或热电发生器这类电源中获取尽可能多的能量。除此之外，PMIC还负责储能管理，比如给超级电容或电池充电。这样一来，很多能量并非持续可用、需要按一定间隔执行系统任务的应用就能得以实现。例如，无线传感器网络中的某个节点每隔5分钟上报一次温度值，如果这个传感器由太阳能电池供电，有了中间储能单元，系统在没光照的时候依然可以正常工作。

MF9006还有一种非常受欢迎的架构，是将能量采集器件与一次电池供电系统结合使用。通过引入能量采集功能，使用不可充电电池的产品可以显著延长系统寿命，既提升了续航时间，又不影响系统的可靠性。针对这类混合供电系统，MF9006提供了对一次电池的控制功能——当采集到的能量不足时，一次电池的供电通路会自动接通，直接给负载供电。