開發具有能量收集源的系統可能是一項挑戰，低電壓和不規則電壓使設計人員難以為工業物聯網（IIoT）中使用的無線傳感器網絡提供穩定的電源。

低成本和高可靠性在工業物聯網中比數據速率更重要，半導體供應商已經將他們自己的評估系統整合在一起，以幫助設計人員找到最好的方法來利用它們周圍的能量為各種節點供電源。

使用能量收集將可充電電池的使用時間從一年延長到十年，大大降低了工業物聯網網絡的運營成本，無需更換數萬個傳感器中的電池。這不僅可以補償無線節點的額外復雜性。在某些情況下，設計人員甚至可以完全消除電池，以節省網絡運營的進一步成本和復雜性。

有些來源比其他來源更為成熟。光伏太陽能電池能夠以可預測的電壓提供定期電流供應，甚至可以從工廠車間的室內熒光燈照明。這可以與針對能量收集進行優化的電源管理器一起使用，例如STMicroelectronics的超低功耗SPV1050，它實現了最大功率點跟蹤算法（MPPT），輸入電壓范圍為75 mA。

除了MPPT功能外，SPV1050還集成了降壓 - 升壓轉換器的開關元件，通過嚴密監控充電結束和最小電池電壓，可以對任何電池（包括薄膜電池）充電。以避免過度放電并保持電池壽命。

MPPT可通過電阻輸入分壓器進行編程（參見圖1），并允許在任何溫度和輻照度條件下最大化源功率。可以使用未調節的電壓輸出（例如，提供微控制器），同時嵌入兩個完全獨立的低壓差穩壓器（LDO），為傳感器和RF收發器供電，以便輕松實現工業物聯網的節點。兩個LDO（1.8 V和3.3 V）均可通過兩個專用引腳獨立使能，為這些外部器件供電。

圖1：STMicroelectronics的SPV1050使用MPPT控制器用于光伏電池，但也可以與熱能發電機一起使用。

然而，該設備不僅僅是光伏電池，因為輸入電壓范圍從75 mV到18 V，效率很高降壓 - 升壓和升壓配置均可支持熱能生成（TEG）源。它們通常使用珀耳帖效應從溫差產生電流，并且可以具有廣泛變化的輸出電壓。

SPV1050還具有針對充電結束和欠壓保護電壓的微調功能，以確保匹配任何電源和電池。

這用于STEVAL-ISV020V1評估板（圖2），該評估板使用SPV1050實現具有特定跳線和測試點的降壓 - 升壓DC-DC轉換器，以幫助開發人員找到最佳系統配置。

該板針對2.6 V和9 V之間的PV面板進行了優化，輸入電流范圍為10 mA至20 mA。這用于使用3.7 V欠壓保護閾值（VUVP）和4.2 V充電結束電壓閾值（VEOC）為電池充電。

圖2：STEVAL-ISV20V1評估板允許不同的光伏陣列和TEG源與SPV1050電源管理器一起使用。

通過改變輸入和輸出電阻分區，CIN電容和MPPT控制VMPP_SET，不同可以使用PV板。可以輕松更改欠壓和充電結束閾值（VUVP低至2.2 V，VEOC高達5.3 V），以支持TEG源和不同的電池負載。

同樣，ADI公司已經使用其能量收集評估板來幫助開發人員將其ADP5090低壓電源管理器用于能量收集源。

ADI公司開發了一種多通道數據采集系統的參考設計，該系統采用能量采集，旨在實現極其緊湊的外形。

為這樣的系統供電需要考慮各種其他設備，例如數據轉換器和通信設備，這些設備在評估板上進行配置和演示。

這包括AD7091R-5 12位，超低功耗，逐次逼近型模數轉換器（ADC），采用2.7 V至5.25 V單電源供電，需要與電源和電池相匹配。

ADC還包括片上轉換時鐘，精確基準電壓源和I 2 C接口，可在標準100 kHz模式和400 kHz快速模式下工作轉換過程和數據采集在快速模式下提供最大22.22 kSPS的吞吐率。

ADC具有自動循環模式，允許用戶將ADC配置為自主操作，用于監視用戶定義范圍之外的事件。這通常用于監視選擇的通道，其中限制寄存器被編程為通過警報功能發出超出范圍的信號。

為此，ADP5090集成升壓調節器可轉換來自光伏電池或TEG源的功率輸入功率范圍為16μW至200 mW，可為電池或超級電容器充電，ADP5090的SYS電壓輸出為圖3所示的整個電路供電。

圖3：將ADP5090能量收集功率管理器與用于自供電多通道數據采集模塊的ADC相結合。

要考慮的器件的一個關鍵特性是內部冷啟動電路，它允許它在低至380 mV的輸入電壓下開始工作。來自PV電池或TEG的能量在ENERGY_IN時引入，當這超過380 mV時，ADP5090進入冷啟動狀態。然后器件退出冷啟動，當SYS電壓超過VSYS_TH（通常為1.93 V）時，主升壓使能。邏輯高電平（PGOOD）等于SYS電壓，因此當達到電池端電壓時，主升壓充電器關閉。然后，這將為電路板上的其他設備提供電源流。

然而，根據所使用的儲能設備的類型，可以進行優化，這些是由電阻器的比率提供的。某些引腳如圖4所示。這些比率需要針對不同的超級電容器和可充電電池進行計算，以滿足更高或更低的能量需求，但參考電路為工業物聯網的無電池傳感器提供了出色的起點。/p>

圖4：ADP5090電源管理器的能量收集電路。

ADP5090升壓調節器以脈沖頻率模式工作（PFM ），將存儲在輸入電容器中的能量傳輸到SYS和一個50 mF，3.5 V超級電容器。 PGOOD閾值由外部連接器設置，表示SYS電壓處于可接受的電壓，如圖5b所示，其中RPG1和RPG2是圖4中的值.VREF_ADP5090通常為1.21 V。

ADP5090還配備了電池過充電和放電保護閾值，這些閾值也由外部電阻設置。為了防止過充電，電池端電壓的上升閾值如圖5b所示，其中RTERM1和RTERM2是圖4中的值。

圖5b ：保護電池免于過度充電和過度放電

為防止深度放電，電池放電關斷電壓的下降閾值如圖5c所示，其中RSD1和RSD2是圖4中的值。

圖5c：電池放電關閉的下降閾值以保護電路的其余部分

此參考設計無需外部電路電池為電路供電，CN-0372電路板使用超級電容為小型電子設備和無電池系統供電，可以放置在工業物聯網的任何地方收集數據。添加可充電電池并改變電阻比以保護它可以為添加其他設備（如無線收發器模塊）提供更高的峰值電流。

圖6：ADI公司的EVAL-CN0372-PMDZ能量收集評估板

結論

使用評估板評估電能管理設備的能量收集是必不可少的工具，但仍有優化工程師探索以獲得最有效的應用解決方案。現代電力管理器支持光伏電池或熱發電機從環境中獲取能量，評估板證明可以實現具有這種設備的無電池傳感器節點，以及具有電池的系統以支持更高的峰值電流要求。這為工業物聯網系統設計人員在開發網絡節點時提供了更大的靈活性，而無需擔心電源供應。