能量無處不在，如太陽、電燈散發的光能，各種振動產生的能量，人類運動時產生的生物熱能，以及在我們周圍的空間中充斥著的各種頻段的電磁波所產生的能量。另一方面，在如今的一些消費類、工業類、醫療類及汽車類的產品中，往往更大容量的電池并不適用，甚至沒有空間存放電池，更別說對電池進行快速充電。例如，一些可穿戴設備、遠程監控設備和傳感器網絡等，這些應用難以獲得持續供電，只能從周圍環境或傳感器獲取能量。可以說，它們其實沒有人為地供電，是一種無電池工作。因此，以微電源為輸入能源的解決方案將有很大的市場空間，而如何采集這些五花八門的微小能量并加以應用成為新興課題。
近日，德州儀器（TI）推出了5款電源管理芯片bq25570、bq25505、TPS62740、TPS62737 與TPS62736，可高效提取和管理從光源、熱源或機械能源采集的微瓦(uW) 至毫瓦(mW) 級電源，在開啟下一代能量采集的競爭中先聲奪人。TI電池管理市場及應用經理文司華博士向記者詳細介紹了這幾款芯片的優勢。
圖1 TI電池管理市場及應用經理文司華博士
微電源的挑戰
文博士說：“我們處處需要系統級的電源方案，但最大的挑戰是，什么樣的電源才能適用于應用場景，電源無疑是很重要的，在任何情況下有面向該應用的最低功耗解決方案。TI提供的全套技術方案，包括電源管理和高精度的模擬IC，這是我們最大的專長；此外，我們有非常低功耗的微控制器，低功耗的無線連接，包括Wi-Fi、ZigBee、藍牙以及1個Sub-1 GHz集成的芯片。我們希望在能量采集概念范疇下，能從光、熱量、振動、RF上去獲取能量，為控制器進行供電。一個很大的挑戰擺在面前，一般的DC/DC轉換器，如用在手持設備上的單節鋰電池，輸入電流在1 A左右，很少在50 mA以下，輸入電壓在1.8 V以下也比較少，一般都是3 V或2.5 V以上。而太陽能（10~10 000 uW/cm2）、熱量（25~1 000 uW/cm2）、振動（50~250 uW/cm2）、RF（0.01~0.1 uW/cm2）的能量采集，它們所提供的電壓非常少，可能少于1 V，電流也是毫安級或微安級的。因此，能量采集技術的要點即最大的挑戰是能夠把這些輸入微電源收集起來，這就需要去研究拓撲結構和更深層次的芯片設計。”
能量采集技術高效使用流程如圖2所示。在采集完微能量之后，實際上還不能直接給終端產品供電，如無線電廣播ZigBee、藍牙、MCU，因為最少也要幾十或上百微安級的功耗，所以還需要存儲元件，可以是鋰離子電池，也可以是薄膜電池或超級電容。這個存儲元件是必須的，因為在大部分時間是在收集能量，少數時間是在發射能量或應用能量，所以，需要將采集的微能量保存在存儲元件中，最終以一定的形式輸出并供電。
圖2 能量采集技術高效使用流程
毫微級電源采集
TI 最新推出的集成降壓轉換器的升壓充電器bq25570工作電壓為120 mV~3 V，其不但靜態流耗極低，僅為488 nA，而且可在輸出電流低于10 uA的情況下實現超過90%的效率（這得益于其自耗電非常小），從而在供電量極低的情況下也能保持高效率，如圖3所示。相比之下，一個DC/DC 轉換器在10 mA的情況下效率一般為50%~60%，在重載或常載的情況下，如300 mA或500mA，會出現80%~90%的效率。bq25570不僅支持最大功率點跟蹤(MPPT)，可從光伏電池和熱電發生器提取和管理電源，而且還支持任何能源存儲元件，例如可充電式鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或常規電容器等。在長期存儲期間，bq25570 供電可通過“運送模式(ship mode)”特性禁用，使其流耗不足5 nA。
圖3 bq25570仿真圖
bq25505升壓充電器與bq25570類似，但可實現低至325 nA的工作靜態電流。bq25505 采用獨特的自動功率多路復用器柵極驅動器，可通過能量采集電源與原電池實現無縫系統工作，可在長時間黑暗或無能源時作為備用電池。
TI此次新推出的芯片還有針對300 mA輸出電流設計方案的最小、最低功耗的降壓轉換器TPS62740，其可在主動工作狀態下支持360 nA的靜態電流，而待機狀態下靜態電流則為70 nA。這款轉換器可在低至10 uA的電流下實現超過90%的效率。對于更低電流設計而言，TI 針對200 mA設計方案的最新TPS62737轉換器以及針對50 mA設計方案的TPS62736可在主動工作期間實現370 nA 的超低靜態電流，在睡眠模式下實現15 nA的靜態電流，而在輸出電流不足15 uA 的情況下也可實現90% 的效率。
文博士強調：“此次推出的芯片針對的應用是低數據速率、低占空比的超低功耗設計，這樣才能可以讓芯片有充足的時間緩慢獲取太陽能或其他形式的能量。”從終端應用角度看，智能家居、可穿戴設備、搖控器之類需要更長電池使用壽命的設備，人體醫療上的植入設備、石油鉆井平臺和管道等難以觸及的設備，以及需要大量無線傳感器供電的環境感知應用，這些都可以用到TI最新一代電源管理芯片。
微能源采集技術為無電池工作應用所帶來的變革是顯而易見的，而這種技術究竟能做出多大貢獻，我們將拭目以待。