能量捕获系统的电源管理解决方案

到2025年底之前，全球智能家居市场预计达到约970亿美元；主要应用类别涉及安全管理、能源和资源管理、便捷和舒适、健康和保健管理以及媒体娱乐。

在家庭中，很多种能源通常未得到利用：光、温差、电机机械振动、门窗移动；现在，由于光伏电池、热电偶、压电发电机等技术，则可以利用这些捕获能量。
意法半导体提供能够满足很多这些来源要求的不同电源管理设备。作为典型应用，我们将以一个光伏捕获系统为例；参见图1- 常规捕获应用框图。

图1 常规捕获应用框图（储存光伏能量）

白天的光伏能量是有限的，不可调节的，并且主要集中在上午；为此，应使用高效率转换器尽可能充分利用这种能量来为系统供电，或者将其储存在主要锂离子电池内，以备日后使用。意法半导体的全新电池管理STBC15系列可以在每次电源电压高于电池电压时管理电池充电并为系统供电。这一过程通过控制内部电源路径上的MOSFET完成，该路径自动为系统提供电池能量并同时在有效电源可用时为锂离子电池充电。STBC15采用超低功耗架构，当移除输入电源时，仅消耗电池的不到250nA电流（参见图2）；当电源可用时，将使用仅0.48 μA的供电电流（参见图3）控制充电阶段。

【图2. 电池漏电流 vs. 电池电压（VCHGIN= 0 V；VBAT> VBAT_OVD）】

【图3. 电源供电电流 vs. 温度（VBAT= 3.6 V；IOUT = 1 mA）】

结温[℃]

这样，几乎所有可用的电源能量将储存到电池内。超低静态电池管理嵌入了数字控制（兼容1.8V的GPIO），用于设置四个可编程电池浮动电压之一以及四个不同的电池过流阈值，并提供实时输入和电池监测标记。

为了优化电池储存的能量或者使用光伏电池产生的直流电源，意法半导体建议利用超低静态电流开关转换器来设计捕获系统。市场上最新推出的产品是Nano静态电流降压ST1PS01系列。它是一款微型同步降压转换器，能够在1.8V-5.5 V的输入电压下提供最大400 mA的输出电流。该转换器专门设计用于高效率、PCB尺寸和厚度是关键因素的应用。输出电压可使用数字控制输入（D0、D1）进行设置，并且可以对0.6V-3.3的输出电压进行动态编程。典型应用原理图如图4所示。由于采用增强型PCC（峰值电流控制回路），ST1PS01使用仅2.2 μH电感（L）和两个小电容（CIN和COUT）就会实现非常高效率的转换。

【图4.ST1PS01应用原理图】

采用先进的设计电路，最大限度减小静态电流，空载待机状态下仅500nA，因此将在下次电池充电之前尽可能延长整体捕获系统的工作时间。

如必要，可使用意法半导体的超低静态电流线性调压器STLQ020系列构建附加低电流电压轨。STLQ020是一款200mA低压降调压器，能够在2 V至5.5 V的输入电压范围内工作。最大负载下的典型压降是160 mV。空载下的超低静态电流仅300 nA，将延长捕获系统的电池寿命。有关STLQ020静态电流特性与温度相关性图形，参见图5。

【图5.静态电流 vs 温度（IOUT = 0 mA）】

尽管采用超低功耗设计，但STLQ020由于其自适应偏置电路，仍能够提供快速瞬态响应和良好的PSRR性能。当未使用电压轨和捕获子系统时，可通过使能引脚，将STLQ020设置到关机模式，从而将总电流消耗减小到1 nA。即使在工作条件下，STLQ020也能保持很低的静态电流，从而延长电池供电设备的工作时间。它还支持短路恒流限制和热保护功能，并且提供几种小型封装。

在以下表1中，我们着重介绍了可用于设计捕获系统或便携式高效率应用的定制产品选项。根据最终应用要求和所选的电池容量，可提供电流能力从仅mA到超过1A的产品。所讨论的适用设备以粗体详细说明。【表1：推荐用于捕获系统的电源管理产品系列】

如果捕获系统需要工作电压轨高于最小电池截止电压（通常是2.8V），则可使用低静态电流降压-升压转换器STBB系列构建每种电池状态所需的固定电压轨：即使是电池满电的4.2V-4.35V水平，或者在最坏情况下电量完全耗尽的2.6-3.0V水平（参见图6）。

【图6 常规捕获应用框图（光伏电源，降压-升压扩展）】

意法半导体降压-升压转换器STBB系列的高效率及其扩展工作输入电压范围使捕获系统能够将光伏面板产生的更多能量储存到电池中。该降压-升压转换器的最小电压仅1.8V，能够产生足以为单节锂离子电池充电的高电压。图7展示了在不同输入和输出电压下的典型降压-升压效率。【图7 低静态电流降压-升压转换器的典型效率性能】

RGB LED驱动器等其他补充可选功能可添加到捕获系统，以简化并极具吸引力地实现图形用户界面通信（GUI）。ST的LED1202、I2C标准接口12通道LED驱动器是意法半导体的全新产品系列，已在2019年第1季度实现量产。图8显示了这一子部分的常规电气原理图。LED1202旨在将关闭模式下的电流消耗减小到5μA，保证高精确度LED电流控制达到+/-1%，并且具备各种特殊功能，如减小浪涌电流的移相功能，包括通过8个可编程模式和最多12位本地PWM分辨率在没有微控制器干预下实现自动排序。

【图8：RGB LED驱动器常规电气原理图（最多4个RGB LED 驱动器）】