如何从室内太阳能电池中进行能量采集

太阳能采集为连接的传感器，控制节点，物联网设备和其他嵌入式应用提供实用的解决方案。然而，很难从需要适应这些应用的小形状因子的太阳能电池中提取足够的能量。

与大型能量收集应用不同，这些设计的能量收集通常会产生微量的能量。功率。设计人员在开发能够以微瓦级别运行的子系统时面临着多重挑战。但是，通过使用赛普拉斯半导体的电源管理IC（PMIC），工程师可以快速实现能够在这些超低功率水平下工作的能量收集电源。

能量有限

By从环境能源中获取能量，工程师可以创建无限期运行而无需额外电源的设计。对于物联网而言，这种方法对于过去完全依赖电池供电的小型无线系统尤其具有吸引力。使用能量收集，开发人员可以完全消除电池。对于更多功率密集型设计，能量收集可以大大延长电池寿命，大大消除了定期更换电池的需要。

在许多设计中，典型的太阳能收集系统需要大型太阳能电池或阵列来提供足够的电力。然而，对于微型传感器系统而言，大型太阳能电池由于需要紧凑的设计或目标位置的有限安装空间而不适用。

对较小的太阳能电池的需求进一步使能量收集复杂化室内物联网设计。室内光源产生非常小的照明水平，在典型的家庭中约为100至200勒克斯，在办公室中为250至500勒克斯。即使是照明良好的区域，例如绘图桌或工作室，也能提供比阳光照射水平低几个数量级的光照水平。

太阳能电池制造商已经采用非晶硅等技术应对室内太阳能电池的需求。与传统太阳能电池中使用的晶体硅不同，非晶硅具有不规则结构，其吸收比晶体结构更多的光。这些专用材料构成的太阳能电池，如松下Amorton系列产品，即使在极低的光照水平下也能发电（图1）。

图1：由荧光灯照明，设计用于室内照明的太阳能电池在照明和输出之间呈现出特征关系，如此处所示电流（Iope），短路电流（Isc）和开路电压（Voc）。 （图片来源：Panasonic）

例如，松下Amorton AM-1801是一个53 x 25毫米的电池，在2.6伏特下产生4.60微安（μA），50勒克斯照明，在3.0伏特下产生18.5微安200勒克斯照明。这些器件用于其预期的室内应用，其输出电流水平仍然低于设计用于户外使用的太阳能电池所达到的数量级（图2）。

图2：由太阳能模拟器（SS）光源照明，设计用于室外的太阳能电池产生的电流输出水平比使用室内电池的室内应用高出几个数量级。 （图片来源：Panasonic）

对于设计师而言，这些专用电池的可用性为室内照明提供能量收集设计提供了机会。困难仍然是创造能够以与这些电池相关联的微瓦功率水平操作的设计，其受限于它们在相对较差的室内位置中的预期用途。虽然设计人员可以找到超低功耗的分立元件来构建合适的能量收集解决方案，但很少有设计人员具备必要的模拟设计经验。幸运的是，赛普拉斯半导体的能量收集PMIC的可用性允许开发人员仅使用少量支持组件将超低功耗能量收集添加到他们的设计中。

能量收集PMIC

赛普拉斯S6AE102A和S6AE103A能量收集PMIC集成了电压控制电路，开关电路和逻辑，旨在优化从太阳能电池或可选电池向负载供电（图3）。该器件的输入电路采用标称3.3伏单元输入（或3.0伏电池输入）工作，具有过压保护（OVP）功能，可监控太阳能电池的开路电压，以保持正常工作。为了提供稳定的输出电压，该器件包括一个低压差稳压器（LDO）。 LDO可在宽范围的负载电流水平下将输出调节至50毫伏（最大值）。 S6AE103A还包括一个独立的比较器和定时器，用于更专业的能量收集设计。

图3：赛普拉斯半导体S6AE102A和S6AE103A PMIC集成了从小型太阳能电池获取能量所需的所有功能，并将设备输出切换为如果收获的能量低于最低水平，则为电池。 S6AE103A提供其他功能（* 1和* 2）。 （图像来源：赛普拉斯半导体公司）

即使具有广泛的功能，4 x 4毫米器件在基本工作模式下名义上仅消耗280纳安（nA），在启用LDO时需要另外200 nA。同样重要的是，该设备只需要很少的启动功率，仅需1.2微瓦。因此，即使在由典型的室内照明照明的室内电池产生的非常低的功率水平下，该设备也可以开始工作。如果能量收集的电力不足，该设备使用其集成的电源开关控制块来驱动系统负载来自电池电源（图4）。

图4：赛普拉斯S6AE102A和S6AE103A的这部分框图侧重于电源开关功能。片上开关从太阳能电池储能电容器VSTORE1向系统负载供电，或者如果能量收集可用的功率低于最小值，则从硬币电池供电。 （图像来源：赛普拉斯半导体公司）

在工作期间，器件将采集的功率存储在VSTORE1引脚的小型外部电容（最小100μF）上。在典型设计中，器件监视单元输入（VDD），电池输入（VBAT）和VSTORE1，以确定它应将哪个源连接到其输出引脚VOUT1和VOUT2（图5）。

图5：PMIC电源门控控制系统将芯片的集成开关组合运行，根据需要从能量收集系统或从电池到VOUT1和VOUT2的系统负载路由电源。 （图像来源：赛普拉斯半导体公司）

最初，当VSTORE1保持低于阈值时，器件将其开关设置为从VBAT驱动VOUT1和VOUT2（图5中的路径S3），同时允许太阳能电池为VSTORE1充电（路径S1）。当太阳能电池输入驱动VSTORE1高于阈值时，设备将负载切换到VSTORE1（禁用路径S3并启用路径S2）并打开SW2以断开太阳能电池与VSTORE1（路径S1）的连接。如果存储在VSTORE1电容上的电源耗尽，器件会将VBAT重新连接到输出（禁用路径S2，同时启用图5中的路径S3和S1）。

该器件还为器件提供了一种机制。储存从太阳能电池中收集的多余能量。在这里，设计人员通常会在VSTORE2上放置一个超级电容器（最小2毫法拉）。在此配置中，当VSTORE1达到阈值且器件使能路径S2（图5）时，器件启用单独的开关（图4中的SW5），以允许太阳能电池为VSTORE2电容充电。当VSTORE1使能时，连接VSTORE2和VSTORE1的二极管（见图4）将多余的能量连接到输出。

如上所述，在监视VDD和VBAT电平时，器件以其所谓的能量驱动运行模式。该器件还提供其他工作模式，使开发人员能够更好地控制电源路径切换机制。在事件驱动的工作模式下，器件利用其集成定时器和控制引脚（INT）来去耦VOUT1和VOUT2，并在适当时将VDD或VBAT路由至VOUT2。 S6AE103A使用多个定时器，支持额外的定时器驱动操作模式。与事件驱动模式一样，此特殊模式将VOUT1和VOUT2去耦，但开发人员可以使用S6AE103A的定时器分别控制电源从电源切换到VOUT1和VOUT2。

设计人员设置工作模式和定时器持续时间使用器件定时器引脚CIN0和CIN2的组合。 S6AE103A提供额外的定时器引脚CIN1，以支持其额外的事件驱动和定时器驱动工作模式。

除了控制输出源，开发人员还可以使用VOUT1和VOUT2微调最终输出电压。三个电阻器作为分压器布置在一对控制引脚上，由器件的内部参考电压源供电。通过调整这些电阻值，开发人员可以在器件工作范围内提高或降低最终电压输出。

该器件与VOUT1和VOUT2一起，通过其内部LDO稳压器提供额外的电压输出引脚VOUT_LDO。 （图6）。与器件的VOUT1和VOUT2输出一样，设计人员可以通过在VOUT_LDO和FB_LDO引脚上设置电阻来调整LDO输出电压电平。 LDO控制引脚STBY_LDO允许工程师在正常模式和低功耗待机模式之间切换LDO，从而将LDO功耗从6μA（典型值）降至400 nA（典型值）。额外的器件引脚ENA_LDO允许工程师完全启用或禁用LDO。

图6：开发人员可以使用一对电阻调整低压差提供的输出电压（VOUT_LDO）（ LDO）稳压器集成在赛普拉斯能量收集PMIC中。 （图片来源：赛普拉斯半导体）

对于设计人员而言，器件使用少量电阻进行配置可转换为基于这些PMIC的相对简单的设计。除了提到的20引脚S6AE102A和24引脚S6AE103A之外，还需要很少的额外组件来实现能量收集设计。

使用评估套件进行简化设计

赛普拉斯半导体CYALKIT-E04评估套件提供完整的能量收集系统设计，能够从小型太阳能电池为传感器系统供电。该套件与Panasonic AM-1801太阳能电池一起，包括一对能量收集板，分别展示基于S6AE102A和S6AE103A的设计（图7）。单独的传感器板连接到S6AE102A/S6AE103A板，以提供来自其板载运动和光传感器的信号，以及可用作PMIC VBAT源的可选纽扣电池。

图7：CYALKIT-E04评估套件包括S6AE102A和S6AE103A PMIC的演示板，显示设计人员需要实现的几个外部元件基于PMIC的完整能量收集设计。 （图像来源：赛普拉斯半导体公司）

PMIC板还提供与Arduino兼容的引脚接头，可轻松连接到广泛的Arduino附加板产品组合。赛普拉斯利用这一标准连接器，利用另一个开发套件CY8CKIT-042-BLE增加无线连接。

虽然超出了本文的范围，CY8CKIT-042-BLE附加板完成了图7中电路板右侧显示的硬件接口。赛普拉斯在其标准软件分发版中为CYALKIT-E04评估套件提供了对该BLE套件的支持。对于设计人员而言，创建太阳能无线传感器设计就像将CYALKIT-E04的传感器和PMIC板与CY8CKIT-042-BLE板组连接一样简单。

结论

能源收获可以为低功耗设计提供有效的解决方案。然而，在实践中，很少有开发人员有时间或专业知识来设计能够提取非常低水平的可用环境能量的能量收集电路。赛普拉斯半导体公司的PMIC仅需1.2μW即可启动，它集成了一个完整的能量收集子系统，能够从小型太阳能电池产生有用功率。

该PMIC系列只需少量外部元件，允许开发人员使用从低层室内照明中快速实施能量收集电源。