探索ADP5091/ADP5092：超低功耗能量采集PMU的卓越之选

在当今电子设备追求小型化、低功耗和长续航的时代，能量采集技术成为了关键的解决方案之一。ADP5091/ADP5092作为Analog Devices推出的智能、集成式能量采集超低功耗管理单元（PMU），为光伏电池（PV）、热电发生器（TEG）等能量采集应用提供了高效、可靠的解决方案。今天，我们就来深入了解一下ADP5091/ADP5092的特点、应用及设计要点。

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一、ADP5091/ADP5092的关键特性

1. 高效能量采集与转换

ADP5091/ADP5092具备最大功率点跟踪（MPPT）功能，可在动态感应或无感应模式下工作，能从PV电池或TEG等低电压、高阻抗直流源中提取最大功率。其输入电压工作范围为0.08 V至3.3 V，即使在微弱能量源下也能正常工作。通过冷启动电路，可在低至380 mV（典型值）的输入电压下快速启动，启动后能在宽输入电压范围内高效转换能量，将有限的能量从6 µW至600 mW范围内进行高效转换，且亚微瓦级的运行损耗大大提高了能量利用效率。

2. 超低功耗设计

器件的静态电流极低，SYS引脚的工作静态电流（(VIN > VCBP ≥ VMINOP) ）为510 nA，睡眠静态电流（(VCBP < VMINOP) ）为390 nA。这种超低功耗设计使得ADP5091/ADP5092非常适合电池供电或能量采集的应用场景，能够有效延长设备的续航时间。

3. 灵活的输出配置

提供150 mA的稳压输出，输出电压可通过外部电阻分压器或VID引脚编程，范围为1.5 V至3.6 V，能够满足不同负载的电压需求。同时，该输出支持自动滞回升压/LDO模式或纯LDO模式，可在低输出电流（10 μA）到高电流200 mA的范围内保持高效。

4. 完善的电池管理功能

可对可充电锂离子电池、薄膜电池、超级电容器或传统电容器等储能元件进行充电管理。通过可编程的充电终止电压和关机放电电压来保护可充电储能元件，避免过充和过放。同时，可编程的PGOOD标志可监控SYS电压，确保系统在稳定的电压下工作。

5. 可选的备用电源路径管理

提供可选的备用电源路径，可连接并管理一个备用原电池。通过集成的电源路径管理控制块，可根据能量采集器、可充电电池和原电池的状态自动切换电源，确保系统在能量不足时仍能正常工作。

6. 射频兼容性

支持通过微控制器单元（MCU）通信暂时关闭开关，以避免对射频（RF）传输产生干扰，适用于对RF性能要求较高的应用场景。

二、典型应用场景

1. 光伏电池能量采集

在太阳能充电系统中，ADP5091/ADP5092可高效采集PV电池的能量，将其存储在储能元件中，并为小型电子设备或无电池系统供电，如太阳能无线传感器、太阳能充电器等。

2. 热电发生器能量采集

在工业监测领域，热电发生器可将温差转化为电能。ADP5091/ADP5092能够采集TEG产生的微弱能量，为工业传感器、无线数据传输模块等设备供电，实现自供电的无线监测系统。

3. 自供电无线传感器设备

在物联网（IoT）应用中，无线传感器需要长期稳定的供电。ADP5091/ADP5092可利用环境中的光能、热能等能量进行采集和转换，为无线传感器提供持续的电力支持，无需频繁更换电池。

4. 便携式和可穿戴设备

对于便携式和可穿戴设备，如智能手表、健身追踪器等，ADP5091/ADP5092的超低功耗和高效能量采集功能可有效延长设备的续航时间，减少充电次数，提升用户体验。

三、工作原理与模式分析

1. 快速冷启动电路

当VIN引脚电压高于冷启动的最小输入电压（VIN_COLD），且SYS引脚的储能电压低于冷启动操作阈值（VSYS_TH）时，快速冷启动电路开始工作。它从VIN引脚提取能量，仅对SYS引脚的电容器充电，直到电压达到VSYS_TH，此时主升压调节器和充电控制器开始工作。在冷启动过程中，效率相对较低，但能够实现较短的启动时间，并且通过PGOOD信号可使系统负载具有较低的关机电流。若要绕过冷启动，可在BACK_UP引脚连接一个原电池。

2. 主升压调节器

主升压调节器为开关模式同步升压调节器，通过在VIN和SW引脚之间连接外部电感器，工作在脉冲频率调制（PFM）模式下，将输入电容器中存储的能量转移到与BAT引脚连接的储能元件中。MPPT控制回路可将VIN电压调节到MPPT引脚采样并通过CBP和AGND引脚存储在电容器中的电压水平。为在宽输入功率范围内保持调节器的高效率，电流检测电路采用内部抖动峰值电流限制来控制电感电流。

当BAT引脚电压低于在SETSD引脚编程的电池终端充电阈值时，主升压调节器通过储能控制器进入异步模式；当BAT引脚电压高于在TERM引脚编程的电池过充阈值时，调节器停止开关。此外，当CBP引脚电压降至MINOP引脚电阻设置的阈值时，升压调节器将禁用。同时，开路电压采样电路可定期停止升压，也可通过将DIS_SW引脚拉高来临时禁用升压。

3. MPPT控制

MPPT功能可使ADP5091/ADP5092从能量采集器中提取最大能量。通过将MINOP引脚浮空，可使MPPT工作在无感应模式，此时MPPT引脚通过一个电阻设置固定的MPPT电压，作为升压输入调节参考。当通过电阻将MINOP引脚电压设置为低于动态MPPT感应模式的MINOP操作电压范围（VMINOP_DSM）时，器件将工作在MPPT动态感应模式，升压输入调节参考为VIN引脚的开路电压按MPPT引脚电阻分压器编程的比例缩放后的值。为使VIN电压在ADP5091/ADP5092输入处的能量采集器的最大功率点处工作，需定期采样MPPT电压并将其存储在与CBP引脚连接的电容器中。默认情况下，参考电压每16秒刷新一次，通过定期禁用升压调节器256毫秒并在BAT电压水平超过SETSD上升阈值时采样开路电压的比例来实现。

4. 稳压输出工作模式

ADP5091/ADP5092的150 mA稳压输出支持滞回升压模式、LDO模式和混合模式。

• 滞回升压模式：升压调节器将输出电压充电至略高于预设输出电压，当输出电压增加到使输出感测信号超过滞回比较器上限阈值（睡眠阈值）时，调节器进入睡眠模式。在睡眠模式下，低侧和高侧开关以及大部分电路被禁用，以实现低静态电流和高效率。当输出电容器为负载供电导致输出电压下降到低于滞回比较器下限阈值（唤醒阈值）时，升压调节器唤醒并生成脉宽调制（PWM）脉冲对输出进行再次充电。
• LDO模式：输出通过SYS引脚供电，需要至少一个4.7 µF的陶瓷输出电容器。采用创新的设计技术，LDO可提供超低静态电流和出色的瞬态性能，适用于数字和RF应用以及对噪声敏感的应用。
• 混合模式：VIN和SYS引脚都可向REG_OUT引脚提供能量。当负载功率低于输入功率时，调节器退出LDO模式，仅从输入侧获取能量。

5. 能量存储管理

储能元件连接到BAT引脚，能量存储控制器负责管理充电和放电操作，监控SYS引脚电压，并在其高于SETPG引脚编程的阈值时使PGOOD信号置高。当BAT引脚电压超过TERM引脚编程的电池终端充电阈值时，升压操作终止，以防止电池过充。当BAT电压低于SETSD引脚编程的电池停止充电阈值水平时，BAT引脚和SYS引脚之间的开关关闭，以防止电池深度放电，此时升压操作进入异步模式。

6. 备用电源路径管理

ADP5091/ADP5092提供可选的备用电源路径，通过集成的备用控制器和两个背对背的功率开关连接BACK_UP引脚和SYS引脚。当系统在能量采集和存储的能量周期性不足的条件下运行时，可在BACK_UP引脚连接一个备用储能元件。备用控制器在SYS电压超过冷启动操作阈值（VSYS_TH）时启用。在BAT电压低于SETBK阈值之前，备用开关关闭；当BAT电压低于SETBK阈值时，开关状态取决于BACK_UP引脚和BAT引脚的电压水平，内部BACK_UP_Mx和BACK_UP控制电路将自动确定备用开关（BACK_UP_M1和BACK_UP_M2）的通断状态，并选择高电压端作为SYS的电源。

四、设计要点与注意事项

1. 外部元件选择

• 能量采集器：能量采集器的输入源需为冷启动、异步升压和同步升压提供最低功率水平。完成冷启动所需的最小输入功率可通过公式 (V{IN} × I{IN} × eta{COLD}>V{SYSTH} × I{SYSLOAD}) 估算，其中 (V{IN}) 钳位到 (V_{INCOLD}=380 mV) （典型值），(I{IN}) 为输入电流，(eta{COLD}) 为冷启动效率（约5%至7%），(V{SYSTH}) 为冷启动操作结束电压，(I{SYSLOAD}) 为SYS引脚的系统负载电流。完成冷启动后，为满足平均系统负载电流，输入源需为升压调节器提供足够的功率，可通过公式 (V{IN} × I{IN} × eta{BOOST}>V_{BATTERM} times (I{STRLEAK}+I{SYS_LOAD})) 估算。
• 储能元件：储能元件应连接到BAT引脚，系统负载连接到SYS引脚。ADP5091/ADP5092支持多种类型的储能元件，如可充电电池、超级电容器和传统电容器。为过滤PFM开关转换器的脉冲电流，需要一个等效电容为100 µF的储能元件。储能元件的容量需在输入源不再发电时为整个系统负载供电。
• 电感器：升压调节器需要一个合适的电感器，其饱和电流应至少比预期的峰值电感电流高30%，并具有低串联电阻（DCR）以保持高效率。升压调节器的内部控制电路设计为在标称电感值为22 µH ± 20%的情况下优化效率和控制开关行为。
• 电容器：对于超低功耗应用，需要使用低泄漏电容器，以减少效率损失、降低静态电流并提高MPPT的有效性。输入电容器（(C_{IN}) ）连接到VIN引脚和PGND引脚，建议最小电容值为10 µF，对于原电池应用，更大的电容有助于减少输入电压纹波并保持源电流稳定。SYS引脚需要连接两个电容器，一个至少4.7 µF的低ESR陶瓷电容器和一个0.1 µF的高频旁路电容器。REG_OUT引脚的输出电容器建议最小电容为4.7 µF，ESR为1 Ω或更小，以确保稳压输出的稳定性。CBP电容器建议使用低泄漏的X7R或C0G 10 nF陶瓷电容器，以保持MPPT的有效性。

2. 布局与组装注意事项

在设计开关电源的印刷电路板（PCB）布局时，需特别注意高峰值电流和高开关频率的情况。建议使用宽而短的走线用于主电源路径和功率接地路径，将输入电容器、输出电容器、电感器和储能元件尽可能靠近IC放置。对于升压调节器，应尽量减小输出到地的功率路径，将输出电容器尽可能靠近SYS引脚和PGND引脚放置。为减少高阻抗阈值设置节点（REF、TERM、SETBK、SETSD和SETPG）的噪声拾取，应将外部电阻靠近IC并使用短走线连接。此外，由于CBP电容器需要保持MPPT电压16秒，任何泄漏都可能降低MPPT的有效性，因此建议在CBP电容器或阈值设置电阻附近不铺设接地平面，并仔细清洁电路板。

五、总结与展望

ADP5091/ADP5092作为一款高性能的超低功耗能量采集PMU，凭借其高效的能量采集与转换能力、超低功耗设计、灵活的输出配置、完善的电池管理功能以及射频兼容性等特点，在光伏电池、热电发生器等能量采集应用领域具有广阔的应用前景。在实际设计过程中，合理选择外部元件并注意布局与组装要点，能够充分发挥ADP5091/ADP5092的性能优势，为电子设备提供稳定、可靠的电源解决方案。随着能量采集技术的不断发展和应用需求的不断增加，相信ADP5091/ADP5092将在更多的领域得到广泛应用，为实现绿色、节能的电子设备做出更大的贡献。各位电子工程师们，在你们的项目中是否也会考虑使用ADP5091/ADP5092呢？欢迎在评论区分享你们的想法和经验。