一種基于微能量采集和節能模式設計的節能方法

劉 斌

（中國科學院 微電子研究所，北京100029）

引 言

近年來，隨著能源危機的出現以及人類對于環境問題的關注，能量采集越來越得到重視，而且有向微型化發展的趨勢[1]。對于電子終端設備而言，電源是保證其正常工作的必要因素，電池的續航能力非常重要。因此，研究能量采集技術具有非常現實的意義，從大的方面來說符合建設節約型社會的國家政策，同時契合低碳環保的理念，有利于可持續發展；從小的方面來說可以增強電子設備的續航能力，減少設備需要頻繁充電的麻煩。

節能可以從開源、節流兩方面來考慮：①收集設備周邊環境中可能存在的尚未被有效利用的能量，用以供設備使用，此為開源；②降低設備的功耗，此為節流。本文設置了基于TI公司低功率升壓轉換芯片BQ25504的微能量采集方案，同時設置了計步器的工作模式，顯著增強計步器的續航能力，達到了節能目的。

1 能量采集模塊設計

廣義的能量采集已經出現了幾個世紀，比如早期的風車、水磨。現在，能量收集技術主要是指把大自然中的一些能源收集起來轉化成電能給系統供電[2]。對于小型電子設備而言，由于設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。在微能量采集領域，TI公司開發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換芯片BQ25504設計微能量采集模塊。

1.1 BQ25504特征介紹

BQ25504芯片在輸入電壓Vin為330 m V時啟動，啟動后可以持續在80 m V直流輸入下持續采集能量，收集器件采集到μW或者m W級別的能量[3]。該芯片可以采用靈活性的設計，使其可以支持多種能量存儲元件，采集器抽取能量的來源可以是零星的或者隨時間變化的。系統通常需要一些類型的能量存儲元件，例如可充電電池、超級電容器，或者傳統電容器。為防止損壞用戶的存儲元件，該芯片可根據用戶設定的過壓（OV）和欠壓（UV），對最高和最低電壓進行監視。當儲能電池或者電容器的電壓降至低于預設臨界水平時，BQ25504觸發電池正常標識以向附加的微控制器傳遞信號，觸發負載電流以防止系統進入欠壓狀況。OV、UV和電池正常閥值可獨立編程，只需采用合適的外圍電阻即可實現。

1.2 模塊設計

圖1為本文設計的能量采集電路。其中VIN接口連接能量轉換器件，BQ25504芯片可收集的能量非常廣泛，有太陽能、熱能、動能等。本設計采用一塊2 cm×3 cm的太陽能電池板采集能量，輸入電壓VIN為1.5 V，BATTERY接口連接儲能元件，采用容量為90 m Ah時的小型鋰電池儲能。

圖1 能量采集電路

BQ25504芯片采用一個可編程最大功率點跟蹤（MPPT）采樣網絡以優化至器件的功率傳輸。MPPT的實現由引腳3上的采樣電壓VREF＿SAMP與引腳2上開路電壓VIN＿DC的比率來實現，這兩個電壓的關系為：

通過采用合適的Roc1與Roc2即可以實現MPPT，通過調節這兩個電阻的比率可以使輸出一直保持在一個穩定的最大功率輸出點。根據芯片手冊指導，對于太陽能采集，電池運行在它們開路電壓80%的最大功率點上[3]，本設計中Roc1取4.42 MΩ，Roc2取15.62 MΩ。

為防止損壞用戶的存儲元件，該芯片可根據用戶設定的過壓（OV）和欠壓（UV），對最高和最低電壓進行監視。通過采用合適的欠壓過壓電阻組合可以設計所需的保護電壓。其中電池欠壓電壓VBAT＿UV，過壓電壓VBAT＿OV分別由式（2）、式（3）決定，式中VBIAS為芯片中設定過壓欠壓電壓值的參考電壓，典型應用中為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，在本設計根據電池實際情況取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 計步器內部工作模式設計

圖2是計步器工作模式狀態機，在計步器的實際工作中，主要有4個工作狀態。當設備在休眠之外的狀態下連接了USB主機時，計步器被主機識別為USB HID設備，測量功能停止，在此狀態下采用USB供電，同時鋰電池也通過USB充電。

圖2 計步器工作模式狀態機

當斷開USB連接后，設備進入測量態1，此時MCU和加速度芯片正常工作，LCD處于掉電狀態，計步功能正常。如果在此狀態10 s內有步行數據產生，同時沒有按鍵動作發生，則計步器繼續保持在此狀態；如果在10 s內有按鍵動作產生，則進入測量態2；如果在10 s內既沒有步行數據產生又沒有按鍵動作發生，則進入休眠態；此外，如果在此狀態下連接了USB主機，則進入USB連接態。

在設備進入測量態2時，LCD、MCU和加速度芯片都處于正常工作狀態，設備測量功能使能，LCD顯示實時的運動數據和時鐘。在此狀態時，如果5 s內繼續有按鍵動作，則保持此狀態；如果5 s內沒有按鍵動作，則進入測量態1，LCD掉電；另外，如果在此狀態下連接了USB主機，則設備進入USB連接態。

在設備進入休眠態后，MCU時鐘停止，MCU和加速度芯片都進入休眠模式，LCD模塊處于掉電狀態，在此狀態下，設備功耗降到最低。此時，只能通過加速度芯片產生的活動檢測中斷來喚醒MCU。加速度芯片產生的活動檢測中斷被當作MCU的外部中斷源，當加速度芯片產生活動檢測中斷后，MCU檢測到外部中斷產生，于是實施喚醒動作，進入測量態1。需要注意的是，當設備處于休眠狀態時，如果連接USB主機，設備是無法被主機識別的，因為此時設備的時鐘處于停止狀態，無法為設備提供時鐘信號。

3 功耗測試結果

圖3和圖4分別是能量采集電路和計步器的PCB實物圖。經測量，在測量態2下電路消耗總電流7 m A，在測量態1下電路消耗總電流為5 m A左右，休眠狀態下總電流為100μA，采用的鋰電池容量為90 m Ah，所以在不充電的情況下，設備在計步狀態下可持續工作16個小時。

圖3 能量采集電路PCB實物圖

圖4 計步器PCB實物圖

能量采集電路在室外太陽光下對鋰電池的充電電流為1 m A左右，在節能燈下為20μA左右，所以在沒有能量采集電路的情況下，電路能持續不斷地工作16個小時左右。加上能量采集電路之后，當在戶外運動時只需把計步器暴露于陽光下就可以增加約4個小時的續航能力。加上能量采集電路后續航能力提高了25%左右，待機超過900個小時。本設計與目前市面上主流智能計步器的待機時長比較如表1所列，可見，本設計的待機時長具有較大優勢。

表1 與主流智能計步器待機時長比較

結 語

本文闡述一種基于微能量采集和節能模式設計的節能方法，并以智能計步器為例探討了該方法的可行性。設計了基于TI公司低功率升壓器芯片的能量采集模塊，經過測試，該模塊在以1.5 V太陽能電池板為能量轉換器件的條件下，實現了在日照和普通節能燈照射條件下m V和μW級別的能量采集，同時結合設置計步器的內部工作模式，實現了計步器的超長待機。

[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向[J].電子產品世界，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.