一種基于微能量采集和節(jié)能模式設(shè)計(jì)的節(jié)能方法

劉 斌

（中國(guó)科學(xué)院 微電子研究所，北京100029）

引 言

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)以及人類對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注，能量采集越來(lái)越得到重視，而且有向微型化發(fā)展的趨勢(shì)[1]。對(duì)于電子終端設(shè)備而言，電源是保證其正常工作的必要因素，電池的續(xù)航能力非常重要。因此，研究能量采集技術(shù)具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義，從大的方面來(lái)說(shuō)符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的國(guó)家政策，同時(shí)契合低碳環(huán)保的理念，有利于可持續(xù)發(fā)展；從小的方面來(lái)說(shuō)可以增強(qiáng)電子設(shè)備的續(xù)航能力，減少設(shè)備需要頻繁充電的麻煩。

節(jié)能可以從開源、節(jié)流兩方面來(lái)考慮：①收集設(shè)備周邊環(huán)境中可能存在的尚未被有效利用的能量，用以供設(shè)備使用，此為開源；②降低設(shè)備的功耗，此為節(jié)流。本文設(shè)置了基于TI公司低功率升壓轉(zhuǎn)換芯片BQ25504的微能量采集方案，同時(shí)設(shè)置了計(jì)步器的工作模式，顯著增強(qiáng)計(jì)步器的續(xù)航能力，達(dá)到了節(jié)能目的。

1 能量采集模塊設(shè)計(jì)

廣義的能量采集已經(jīng)出現(xiàn)了幾個(gè)世紀(jì)，比如早期的風(fēng)車、水磨。現(xiàn)在，能量收集技術(shù)主要是指把大自然中的一些能源收集起來(lái)轉(zhuǎn)化成電能給系統(tǒng)供電[2]。對(duì)于小型電子設(shè)備而言，由于設(shè)備體積等因素的限制，采用的能量收集方案只能是微能量采集。在微能量采集領(lǐng)域，TI公司開發(fā)了多款可用于微能量收集的芯片，本文采用其低功率升壓轉(zhuǎn)換芯片BQ25504設(shè)計(jì)微能量采集模塊。

1.1 BQ25504特征介紹

BQ25504芯片在輸入電壓Vin為330 m V時(shí)啟動(dòng)，啟動(dòng)后可以持續(xù)在80 m V直流輸入下持續(xù)采集能量，收集器件采集到μW或者m W級(jí)別的能量[3]。該芯片可以采用靈活性的設(shè)計(jì)，使其可以支持多種能量存儲(chǔ)元件，采集器抽取能量的來(lái)源可以是零星的或者隨時(shí)間變化的。系統(tǒng)通常需要一些類型的能量存儲(chǔ)元件，例如可充電電池、超級(jí)電容器，或者傳統(tǒng)電容器。為防止損壞用戶的存儲(chǔ)元件，該芯片可根據(jù)用戶設(shè)定的過(guò)壓（OV）和欠壓（UV），對(duì)最高和最低電壓進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)儲(chǔ)能電池或者電容器的電壓降至低于預(yù)設(shè)臨界水平時(shí)，BQ25504觸發(fā)電池正常標(biāo)識(shí)以向附加的微控制器傳遞信號(hào)，觸發(fā)負(fù)載電流以防止系統(tǒng)進(jìn)入欠壓狀況。OV、UV和電池正常閥值可獨(dú)立編程，只需采用合適的外圍電阻即可實(shí)現(xiàn)。

1.2 模塊設(shè)計(jì)

圖1為本文設(shè)計(jì)的能量采集電路。其中VIN接口連接能量轉(zhuǎn)換器件，BQ25504芯片可收集的能量非常廣泛，有太陽(yáng)能、熱能、動(dòng)能等。本設(shè)計(jì)采用一塊2 cm×3 cm的太陽(yáng)能電池板采集能量，輸入電壓VIN為1.5 V，BATTERY接口連接儲(chǔ)能元件，采用容量為90 m Ah時(shí)的小型鋰電池儲(chǔ)能。

圖1 能量采集電路

BQ25504芯片采用一個(gè)可編程最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）采樣網(wǎng)絡(luò)以優(yōu)化至器件的功率傳輸。MPPT的實(shí)現(xiàn)由引腳3上的采樣電壓VREF＿SAMP與引腳2上開路電壓VIN＿DC的比率來(lái)實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)電壓的關(guān)系為：

通過(guò)采用合適的Roc1與Roc2即可以實(shí)現(xiàn)MPPT，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩個(gè)電阻的比率可以使輸出一直保持在一個(gè)穩(wěn)定的最大功率輸出點(diǎn)。根據(jù)芯片手冊(cè)指導(dǎo)，對(duì)于太陽(yáng)能采集，電池運(yùn)行在它們開路電壓80%的最大功率點(diǎn)上[3]，本設(shè)計(jì)中Roc1取4.42 MΩ，Roc2取15.62 MΩ。

為防止損壞用戶的存儲(chǔ)元件，該芯片可根據(jù)用戶設(shè)定的過(guò)壓（OV）和欠壓（UV），對(duì)最高和最低電壓進(jìn)行監(jiān)視。通過(guò)采用合適的欠壓過(guò)壓電阻組合可以設(shè)計(jì)所需的保護(hù)電壓。其中電池欠壓電壓VBAT＿UV，過(guò)壓電壓VBAT＿OV分別由式（2）、式（3）決定，式中VBIAS為芯片中設(shè)定過(guò)壓欠壓電壓值的參考電壓，典型應(yīng)用中為1.25 V。其中RUV2與RUV1的和必須約為10 MΩ，ROV2與ROV1的和也必須約為10 MΩ，在本設(shè)計(jì)根據(jù)電池實(shí)際情況取VBAT＿UV為3.2 V，VBAT＿OV為4.2 V，于是采用的 RUV1、RUV2、ROV1、ROV2分別為6.1 MΩ、3.8 MΩ、5.6 MΩ、4.4 MΩ。

2 計(jì)步器內(nèi)部工作模式設(shè)計(jì)

圖2是計(jì)步器工作模式狀態(tài)機(jī)，在計(jì)步器的實(shí)際工作中，主要有4個(gè)工作狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備在休眠之外的狀態(tài)下連接了USB主機(jī)時(shí)，計(jì)步器被主機(jī)識(shí)別為USB HID設(shè)備，測(cè)量功能停止，在此狀態(tài)下采用USB供電，同時(shí)鋰電池也通過(guò)USB充電。

圖2 計(jì)步器工作模式狀態(tài)機(jī)

當(dāng)斷開USB連接后，設(shè)備進(jìn)入測(cè)量態(tài)1，此時(shí)MCU和加速度芯片正常工作，LCD處于掉電狀態(tài)，計(jì)步功能正常。如果在此狀態(tài)10 s內(nèi)有步行數(shù)據(jù)產(chǎn)生，同時(shí)沒有按鍵動(dòng)作發(fā)生，則計(jì)步器繼續(xù)保持在此狀態(tài)；如果在10 s內(nèi)有按鍵動(dòng)作產(chǎn)生，則進(jìn)入測(cè)量態(tài)2；如果在10 s內(nèi)既沒有步行數(shù)據(jù)產(chǎn)生又沒有按鍵動(dòng)作發(fā)生，則進(jìn)入休眠態(tài)；此外，如果在此狀態(tài)下連接了USB主機(jī)，則進(jìn)入U(xiǎn)SB連接態(tài)。

在設(shè)備進(jìn)入測(cè)量態(tài)2時(shí)，LCD、MCU和加速度芯片都處于正常工作狀態(tài)，設(shè)備測(cè)量功能使能，LCD顯示實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘。在此狀態(tài)時(shí)，如果5 s內(nèi)繼續(xù)有按鍵動(dòng)作，則保持此狀態(tài)；如果5 s內(nèi)沒有按鍵動(dòng)作，則進(jìn)入測(cè)量態(tài)1，LCD掉電；另外，如果在此狀態(tài)下連接了USB主機(jī)，則設(shè)備進(jìn)入U(xiǎn)SB連接態(tài)。

在設(shè)備進(jìn)入休眠態(tài)后，MCU時(shí)鐘停止，MCU和加速度芯片都進(jìn)入休眠模式，LCD模塊處于掉電狀態(tài)，在此狀態(tài)下，設(shè)備功耗降到最低。此時(shí)，只能通過(guò)加速度芯片產(chǎn)生的活動(dòng)檢測(cè)中斷來(lái)喚醒MCU。加速度芯片產(chǎn)生的活動(dòng)檢測(cè)中斷被當(dāng)作MCU的外部中斷源，當(dāng)加速度芯片產(chǎn)生活動(dòng)檢測(cè)中斷后，MCU檢測(cè)到外部中斷產(chǎn)生，于是實(shí)施喚醒動(dòng)作，進(jìn)入測(cè)量態(tài)1。需要注意的是，當(dāng)設(shè)備處于休眠狀態(tài)時(shí)，如果連接USB主機(jī)，設(shè)備是無(wú)法被主機(jī)識(shí)別的，因?yàn)榇藭r(shí)設(shè)備的時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)，無(wú)法為設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào)。

3 功耗測(cè)試結(jié)果

圖3和圖4分別是能量采集電路和計(jì)步器的PCB實(shí)物圖。經(jīng)測(cè)量，在測(cè)量態(tài)2下電路消耗總電流7 m A，在測(cè)量態(tài)1下電路消耗總電流為5 m A左右，休眠狀態(tài)下總電流為100μA，采用的鋰電池容量為90 m Ah，所以在不充電的情況下，設(shè)備在計(jì)步狀態(tài)下可持續(xù)工作16個(gè)小時(shí)。

圖3 能量采集電路PCB實(shí)物圖

圖4 計(jì)步器PCB實(shí)物圖

能量采集電路在室外太陽(yáng)光下對(duì)鋰電池的充電電流為1 m A左右，在節(jié)能燈下為20μA左右，所以在沒有能量采集電路的情況下，電路能持續(xù)不斷地工作16個(gè)小時(shí)左右。加上能量采集電路之后，當(dāng)在戶外運(yùn)動(dòng)時(shí)只需把計(jì)步器暴露于陽(yáng)光下就可以增加約4個(gè)小時(shí)的續(xù)航能力。加上能量采集電路后續(xù)航能力提高了25%左右，待機(jī)超過(guò)900個(gè)小時(shí)。本設(shè)計(jì)與目前市面上主流智能計(jì)步器的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)比較如表1所列，可見，本設(shè)計(jì)的待機(jī)時(shí)長(zhǎng)具有較大優(yōu)勢(shì)。

表1 與主流智能計(jì)步器待機(jī)時(shí)長(zhǎng)比較

結(jié) 語(yǔ)

本文闡述一種基于微能量采集和節(jié)能模式設(shè)計(jì)的節(jié)能方法，并以智能計(jì)步器為例探討了該方法的可行性。設(shè)計(jì)了基于TI公司低功率升壓器芯片的能量采集模塊，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該模塊在以1.5 V太陽(yáng)能電池板為能量轉(zhuǎn)換器件的條件下，實(shí)現(xiàn)了在日照和普通節(jié)能燈照射條件下m V和μW級(jí)別的能量采集，同時(shí)結(jié)合設(shè)置計(jì)步器的內(nèi)部工作模式，實(shí)現(xiàn)了計(jì)步器的超長(zhǎng)待機(jī)。

[1]Texas Instruments.ULP meets energy harvesting：A game-changing combination for design engineers[EB/OL].[2014-11].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/wp/slyy018a/slyy018a.pdf.

[2]王瑩.能量采集的前景及最新動(dòng)向[J].電子產(chǎn)品世界，2014，21（1）：21-22.

[3]Texas Instruments.Ultra Low Power Boost Converter with Battery Management for Energy Harvester Applications[EB/OL].[2014-11].http：//www.mouser.cn/pdfdocs/bq25504.pdf.