如何使用能量收集为工业物联网网络提供稳定的电源

开发具有能量收集源的系统可能是一项挑战，低电压和不规则电压使设计人员难以为工业物联网（IIoT）中使用的无线传感器网络提供稳定的电源。

低成本和高可靠性在工业物联网中比数据速率更重要，半导体供应商已经将他们自己的评估系统整合在一起，以帮助设计人员找到最好的方法来利用它们周围的能量为各种节点供电源。

使用能量收集将可充电电池的使用时间从一年延长到十年，大大降低了工业物联网网络的运营成本，无需更换数万个传感器中的电池。这不仅可以补偿无线节点的额外复杂性。在某些情况下，设计人员甚至可以完全消除电池，以节省网络运营的进一步成本和复杂性。

有些来源比其他来源更为成熟。光伏太阳能电池能够以可预测的电压提供定期电流供应，甚至可以从工厂车间的室内荧光灯照明。这可以与针对能量收集进行优化的电源管理器一起使用，例如STMicroelectronics的超低功耗SPV1050，它实现了最大功率点跟踪算法（MPPT），输入电压范围为75 mA。

除了MPPT功能外，SPV1050还集成了降压 - 升压转换器的开关元件，通过严密监控充电结束和最小电池电压，可以对任何电池（包括薄膜电池）充电。以避免过度放电并保持电池寿命。

MPPT可通过电阻输入分压器进行编程（参见图1），并允许在任何温度和辐照度条件下最大化源功率。可以使用未调节的电压输出（例如，提供微控制器），同时嵌入两个完全独立的低压差稳压器（LDO），为传感器和RF收发器供电，以便轻松实现工业物联网的节点。两个LDO（1.8 V和3.3 V）均可通过两个专用引脚独立使能，为这些外部器件供电。

图1：STMicroelectronics的SPV1050使用MPPT控制器用于光伏电池，但也可以与热能发电机一起使用。

然而，该设备不仅仅是光伏电池，因为输入电压范围从75 mV到18 V，效率很高降压 - 升压和升压配置均可支持热能生成（TEG）源。它们通常使用珀耳帖效应从温差产生电流，并且可以具有广泛变化的输出电压。

SPV1050还具有针对充电结束和欠压保护电压的微调功能，以确保匹配任何电源和电池。

这用于STEVAL-ISV020V1评估板（图2），该评估板使用SPV1050实现具有特定跳线和测试点的降压 - 升压DC-DC转换器，以帮助开发人员找到最佳系统配置。

该板针对2.6 V和9 V之间的PV面板进行了优化，输入电流范围为10 mA至20 mA。这用于使用3.7 V欠压保护阈值（VUVP）和4.2 V充电结束电压阈值（VEOC）为电池充电。

图2：STEVAL-ISV20V1评估板允许不同的光伏阵列和TEG源与SPV1050电源管理器一起使用。

通过改变输入和输出电阻分区，CIN电容和MPPT控制VMPP_SET，不同可以使用PV板。可以轻松更改欠压和充电结束阈值（VUVP低至2.2 V，VEOC高达5.3 V），以支持TEG源和不同的电池负载。

同样，ADI公司已经使用其能量收集评估板来帮助开发人员将其ADP5090低压电源管理器用于能量收集源。

ADI公司开发了一种多通道数据采集系统的参考设计，该系统采用能量采集，旨在实现极其紧凑的外形。

为这样的系统供电需要考虑各种其他设备，例如数据转换器和通信设备，这些设备在评估板上进行配置和演示。

这包括AD7091R-5 12位，超低功耗，逐次逼近型模数转换器（ADC），采用2.7 V至5.25 V单电源供电，需要与电源和电池相匹配。

ADC还包括片上转换时钟，精确基准电压源和I 2 C接口，可在标准100 kHz模式和400 kHz快速模式下工作转换过程和数据采集在快速模式下提供最大22.22 kSPS的吞吐率。

ADC具有自动循环模式，允许用户将ADC配置为自主操作，用于监视用户定义范围之外的事件。这通常用于监视选择的通道，其中限制寄存器被编程为通过警报功能发出超出范围的信号。

为此，ADP5090集成升压调节器可转换来自光伏电池或TEG源的功率输入功率范围为16μW至200 mW，可为电池或超级电容器充电，ADP5090的SYS电压输出为图3所示的整个电路供电。

图3：将ADP5090能量收集功率管理器与用于自供电多通道数据采集模块的ADC相结合。

要考虑的器件的一个关键特性是内部冷启动电路，它允许它在低至380 mV的输入电压下开始工作。来自PV电池或TEG的能量在ENERGY_IN时引入，当这超过380 mV时，ADP5090进入冷启动状态。然后器件退出冷启动，当SYS电压超过VSYS_TH（通常为1.93 V）时，主升压使能。逻辑高电平（PGOOD）等于SYS电压，因此当达到电池端电压时，主升压充电器关闭。然后，这将为电路板上的其他设备提供电源流。

然而，根据所使用的储能设备的类型，可以进行优化，这些是由电阻器的比率提供的。某些引脚如图4所示。这些比率需要针对不同的超级电容器和可充电电池进行计算，以满足更高或更低的能量需求，但参考电路为工业物联网的无电池传感器提供了出色的起点。/p>

图4：ADP5090电源管理器的能量收集电路。

ADP5090升压调节器以脉冲频率模式工作（PFM ），将存储在输入电容器中的能量传输到SYS和一个50 mF，3.5 V超级电容器。 PGOOD阈值由外部连接器设置，表示SYS电压处于可接受的电压，如图5b所示，其中RPG1和RPG2是图4中的值.VREF_ADP5090通常为1.21 V。

ADP5090还配备了电池过充电和放电保护阈值，这些阈值也由外部电阻设置。为了防止过充电，电池端电压的上升阈值如图5b所示，其中RTERM1和RTERM2是图4中的值。

图5b ：保护电池免于过度充电和过度放电

为防止深度放电，电池放电关断电压的下降阈值如图5c所示，其中RSD1和RSD2是图4中的值。

图5c：电池放电关闭的下降阈值以保护电路的其余部分

此参考设计无需外部电路电池为电路供电，CN-0372电路板使用超级电容为小型电子设备和无电池系统供电，可以放置在工业物联网的任何地方收集数据。添加可充电电池并改变电阻比以保护它可以为添加其他设备（如无线收发器模块）提供更高的峰值电流。

图6：ADI公司的EVAL-CN0372-PMDZ能量收集评估板

结论

使用评估板评估电能管理设备的能量收集是必不可少的工具，但仍有优化工程师探索以获得最有效的应用解决方案。现代电力管理器支持光伏电池或热发电机从环境中获取能量，评估板证明可以实现具有这种设备的无电池传感器节点，以及具有电池的系统以支持更高的峰值电流要求。这为工业物联网系统设计人员在开发网络节点时提供了更大的灵活性，而无需担心电源供应。