探索ADP5091/ADP5092：超低功耗能量采集PMU的卓越之選

在當今電子設備追求小型化、低功耗和長續航的時代，能量采集技術成為了關鍵的解決方案之一。ADP5091/ADP5092作為Analog Devices推出的智能、集成式能量采集超低功耗管理單元（PMU），為光伏電池（PV）、熱電發生器（TEG）等能量采集應用提供了高效、可靠的解決方案。今天，我們就來深入了解一下ADP5091/ADP5092的特點、應用及設計要點。

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一、ADP5091/ADP5092的關鍵特性

1. 高效能量采集與轉換

ADP5091/ADP5092具備最大功率點跟蹤（MPPT）功能，可在動態感應或無感應模式下工作，能從PV電池或TEG等低電壓、高阻抗直流源中提取最大功率。其輸入電壓工作范圍為0.08 V至3.3 V，即使在微弱能量源下也能正常工作。通過冷啟動電路，可在低至380 mV（典型值）的輸入電壓下快速啟動，啟動后能在寬輸入電壓范圍內高效轉換能量，將有限的能量從6 μW至600 mW范圍內進行高效轉換，且亞微瓦級的運行損耗大大提高了能量利用效率。

2. 超低功耗設計

器件的靜態電流極低，SYS引腳的工作靜態電流（(VIN > VCBP ≥ VMINOP) ）為510 nA，睡眠靜態電流（(VCBP < VMINOP) ）為390 nA。這種超低功耗設計使得ADP5091/ADP5092非常適合電池供電或能量采集的應用場景，能夠有效延長設備的續航時間。

3. 靈活的輸出配置

提供150 mA的穩壓輸出，輸出電壓可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程，范圍為1.5 V至3.6 V，能夠滿足不同負載的電壓需求。同時，該輸出支持自動滯回升壓/LDO模式或純LDO模式，可在低輸出電流（10 μA）到高電流200 mA的范圍內保持高效。

4. 完善的電池管理功能

可對可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或傳統電容器等儲能元件進行充電管理。通過可編程的充電終止電壓和關機放電電壓來保護可充電儲能元件，避免過充和過放。同時，可編程的PGOOD標志可監控SYS電壓，確保系統在穩定的電壓下工作。

5. 可選的備用電源路徑管理

提供可選的備用電源路徑，可連接并管理一個備用原電池。通過集成的電源路徑管理控制塊，可根據能量采集器、可充電電池和原電池的狀態自動切換電源，確保系統在能量不足時仍能正常工作。

6. 射頻兼容性

支持通過微控制器單元（MCU）通信暫時關閉開關，以避免對射頻（RF）傳輸產生干擾，適用于對RF性能要求較高的應用場景。

二、典型應用場景

1. 光伏電池能量采集

在太陽能充電系統中，ADP5091/ADP5092可高效采集PV電池的能量，將其存儲在儲能元件中，并為小型電子設備或無電池系統供電，如太陽能無線傳感器、太陽能充電器等。

2. 熱電發生器能量采集

在工業監測領域，熱電發生器可將溫差轉化為電能。ADP5091/ADP5092能夠采集TEG產生的微弱能量，為工業傳感器、無線數據傳輸模塊等設備供電，實現自供電的無線監測系統。

3. 自供電無線傳感器設備

在物聯網（IoT）應用中，無線傳感器需要長期穩定的供電。ADP5091/ADP5092可利用環境中的光能、熱能等能量進行采集和轉換，為無線傳感器提供持續的電力支持，無需頻繁更換電池。

4. 便攜式和可穿戴設備

對于便攜式和可穿戴設備，如智能手表、健身追蹤器等，ADP5091/ADP5092的超低功耗和高效能量采集功能可有效延長設備的續航時間，減少充電次數，提升用戶體驗。

三、工作原理與模式分析

1. 快速冷啟動電路

當VIN引腳電壓高于冷啟動的最小輸入電壓（VIN_COLD），且SYS引腳的儲能電壓低于冷啟動操作閾值（VSYS_TH）時，快速冷啟動電路開始工作。它從VIN引腳提取能量，僅對SYS引腳的電容器充電，直到電壓達到VSYS_TH，此時主升壓調節器和充電控制器開始工作。在冷啟動過程中，效率相對較低，但能夠實現較短的啟動時間，并且通過PGOOD信號可使系統負載具有較低的關機電流。若要繞過冷啟動，可在BACK_UP引腳連接一個原電池。

2. 主升壓調節器

主升壓調節器為開關模式同步升壓調節器，通過在VIN和SW引腳之間連接外部電感器，工作在脈沖頻率調制（PFM）模式下，將輸入電容器中存儲的能量轉移到與BAT引腳連接的儲能元件中。MPPT控制回路可將VIN電壓調節到MPPT引腳采樣并通過CBP和AGND引腳存儲在電容器中的電壓水平。為在寬輸入功率范圍內保持調節器的高效率，電流檢測電路采用內部抖動峰值電流限制來控制電感電流。

當BAT引腳電壓低于在SETSD引腳編程的電池終端充電閾值時，主升壓調節器通過儲能控制器進入異步模式；當BAT引腳電壓高于在TERM引腳編程的電池過充閾值時，調節器停止開關。此外，當CBP引腳電壓降至MINOP引腳電阻設置的閾值時，升壓調節器將禁用。同時，開路電壓采樣電路可定期停止升壓，也可通過將DIS_SW引腳拉高來臨時禁用升壓。

3. MPPT控制

MPPT功能可使ADP5091/ADP5092從能量采集器中提取最大能量。通過將MINOP引腳浮空，可使MPPT工作在無感應模式，此時MPPT引腳通過一個電阻設置固定的MPPT電壓，作為升壓輸入調節參考。當通過電阻將MINOP引腳電壓設置為低于動態MPPT感應模式的MINOP操作電壓范圍（VMINOP_DSM）時，器件將工作在MPPT動態感應模式，升壓輸入調節參考為VIN引腳的開路電壓按MPPT引腳電阻分壓器編程的比例縮放后的值。為使VIN電壓在ADP5091/ADP5092輸入處的能量采集器的最大功率點處工作，需定期采樣MPPT電壓并將其存儲在與CBP引腳連接的電容器中。默認情況下，參考電壓每16秒刷新一次，通過定期禁用升壓調節器256毫秒并在BAT電壓水平超過SETSD上升閾值時采樣開路電壓的比例來實現。

4. 穩壓輸出工作模式

ADP5091/ADP5092的150 mA穩壓輸出支持滯回升壓模式、LDO模式和混合模式。

• 滯回升壓模式：升壓調節器將輸出電壓充電至略高于預設輸出電壓，當輸出電壓增加到使輸出感測信號超過滯回比較器上限閾值（睡眠閾值）時，調節器進入睡眠模式。在睡眠模式下，低側和高側開關以及大部分電路被禁用，以實現低靜態電流和高效率。當輸出電容器為負載供電導致輸出電壓下降到低于滯回比較器下限閾值（喚醒閾值）時，升壓調節器喚醒并生成脈寬調制（PWM）脈沖對輸出進行再次充電。
• LDO模式：輸出通過SYS引腳供電，需要至少一個4.7 μF的陶瓷輸出電容器。采用創新的設計技術，LDO可提供超低靜態電流和出色的瞬態性能，適用于數字和RF應用以及對噪聲敏感的應用。
• 混合模式：VIN和SYS引腳都可向REG_OUT引腳提供能量。當負載功率低于輸入功率時，調節器退出LDO模式，僅從輸入側獲取能量。

5. 能量存儲管理

儲能元件連接到BAT引腳，能量存儲控制器負責管理充電和放電操作，監控SYS引腳電壓，并在其高于SETPG引腳編程的閾值時使PGOOD信號置高。當BAT引腳電壓超過TERM引腳編程的電池終端充電閾值時，升壓操作終止，以防止電池過充。當BAT電壓低于SETSD引腳編程的電池停止充電閾值水平時，BAT引腳和SYS引腳之間的開關關閉，以防止電池深度放電，此時升壓操作進入異步模式。

6. 備用電源路徑管理

ADP5091/ADP5092提供可選的備用電源路徑，通過集成的備用控制器和兩個背對背的功率開關連接BACK_UP引腳和SYS引腳。當系統在能量采集和存儲的能量周期性不足的條件下運行時，可在BACK_UP引腳連接一個備用儲能元件。備用控制器在SYS電壓超過冷啟動操作閾值（VSYS_TH）時啟用。在BAT電壓低于SETBK閾值之前，備用開關關閉；當BAT電壓低于SETBK閾值時，開關狀態取決于BACK_UP引腳和BAT引腳的電壓水平，內部BACK_UP_Mx和BACK_UP控制電路將自動確定備用開關（BACK_UP_M1和BACK_UP_M2）的通斷狀態，并選擇高電壓端作為SYS的電源。

四、設計要點與注意事項

1. 外部元件選擇

• 能量采集器：能量采集器的輸入源需為冷啟動、異步升壓和同步升壓提供最低功率水平。完成冷啟動所需的最小輸入功率可通過公式 (V{IN} × I{IN} × eta{COLD}>V{SYSTH} × I{SYSLOAD}) 估算，其中 (V{IN}) 鉗位到 (V_{INCOLD}=380 mV) （典型值），(I{IN}) 為輸入電流，(eta{COLD}) 為冷啟動效率（約5%至7%），(V{SYSTH}) 為冷啟動操作結束電壓，(I{SYSLOAD}) 為SYS引腳的系統負載電流。完成冷啟動后，為滿足平均系統負載電流，輸入源需為升壓調節器提供足夠的功率，可通過公式 (V{IN} × I{IN} × eta{BOOST}>V_{BATTERM} times (I{STRLEAK}+I{SYS_LOAD})) 估算。
• 儲能元件：儲能元件應連接到BAT引腳，系統負載連接到SYS引腳。ADP5091/ADP5092支持多種類型的儲能元件，如可充電電池、超級電容器和傳統電容器。為過濾PFM開關轉換器的脈沖電流，需要一個等效電容為100 μF的儲能元件。儲能元件的容量需在輸入源不再發電時為整個系統負載供電。
• 電感器：升壓調節器需要一個合適的電感器，其飽和電流應至少比預期的峰值電感電流高30%，并具有低串聯電阻（DCR）以保持高效率。升壓調節器的內部控制電路設計為在標稱電感值為22 μH ± 20%的情況下優化效率和控制開關行為。
• 電容器：對于超低功耗應用，需要使用低泄漏電容器，以減少效率損失、降低靜態電流并提高MPPT的有效性。輸入電容器（(C_{IN}) ）連接到VIN引腳和PGND引腳，建議最小電容值為10 μF，對于原電池應用，更大的電容有助于減少輸入電壓紋波并保持源電流穩定。SYS引腳需要連接兩個電容器，一個至少4.7 μF的低ESR陶瓷電容器和一個0.1 μF的高頻旁路電容器。REG_OUT引腳的輸出電容器建議最小電容為4.7 μF，ESR為1 Ω或更小，以確保穩壓輸出的穩定性。CBP電容器建議使用低泄漏的X7R或C0G 10 nF陶瓷電容器，以保持MPPT的有效性。

2. 布局與組裝注意事項

在設計開關電源的印刷電路板（PCB）布局時，需特別注意高峰值電流和高開關頻率的情況。建議使用寬而短的走線用于主電源路徑和功率接地路徑，將輸入電容器、輸出電容器、電感器和儲能元件盡可能靠近IC放置。對于升壓調節器，應盡量減小輸出到地的功率路徑，將輸出電容器盡可能靠近SYS引腳和PGND引腳放置。為減少高阻抗閾值設置節點（REF、TERM、SETBK、SETSD和SETPG）的噪聲拾取，應將外部電阻靠近IC并使用短走線連接。此外，由于CBP電容器需要保持MPPT電壓16秒，任何泄漏都可能降低MPPT的有效性，因此建議在CBP電容器或閾值設置電阻附近不鋪設接地平面，并仔細清潔電路板。

五、總結與展望

ADP5091/ADP5092作為一款高性能的超低功耗能量采集PMU，憑借其高效的能量采集與轉換能力、超低功耗設計、靈活的輸出配置、完善的電池管理功能以及射頻兼容性等特點，在光伏電池、熱電發生器等能量采集應用領域具有廣闊的應用前景。在實際設計過程中，合理選擇外部元件并注意布局與組裝要點，能夠充分發揮ADP5091/ADP5092的性能優勢，為電子設備提供穩定、可靠的電源解決方案。隨著能量采集技術的不斷發展和應用需求的不斷增加，相信ADP5091/ADP5092將在更多的領域得到廣泛應用，為實現綠色、節能的電子設備做出更大的貢獻。各位電子工程師們，在你們的項目中是否也會考慮使用ADP5091/ADP5092呢？歡迎在評論區分享你們的想法和經驗。