物联网普及下各种传感器节点部署在各种工业场景以及我们生活中无处不在，然而传感器节点的供电问题却成为系统设计中必须考虑、绕不过去的坎，良好的供电电路设计可以大大降低未来维护成本，恰当的供电方案甚至可以避免未来维护的麻烦。总的来说，设备根据能量来源的不同，简单分为三大类：一次性电池供电设备；可充电电池供电设备；以及自取电设备。本文以ADI的相关解决方案为例，给出这三大类应用的可靠电源设计思路。
全寿命周期内免电池维护的电源设计
很多应用领域，更换一次电池的维护成本很高，有些甚至可能比设备本身很贵，例如地震监测设备、应急求救装置、高压带电显示装置、智能井盖检测设备，等等。这些设备通常大部分时间处于休眠状态，待机状态功耗非常低，通常有一个唤醒信号或者按键等。此类设计的重点在于在设备待机时，唤醒电路的功耗需要超级低，设备的静态漏电流非常小。在设备进入正常工作状态时，需要电源系统具备超高效率以及实现电池电量及状态的监测，确保设备在一个可控尺寸的电池供电下，维持较长的工作时间，甚至是实现设备生命周期内的免换电池维护。
ADXL362实现MCU的振动唤醒
这类应用例如ADI典型器的超低功耗三轴加速度计ADXL362、超低功耗的按键控制器LTC295X系列。ADXL362的待机电流只有10nA，意味着可以维持长达数年的待机。270nA的振动能唤醒电流，唤醒后100 Hz ODR数据输出率仅需1.8 µA 电流。LTC295X系列是ADI的按键控制器，LTC2955/2956的PB引脚提供25KV的ESD保护，LTC2955是1.2uA的供电电流，LTC2956为0.8uA。LTC3337针对一次性电池（如锂亚电池）电量、内阻、电压、温度等进行监测，100nA的漏电流，非常适合此种应用。
集成精密库仑计数器的纳安级功耗原电池健康状态(SoH)监控器LTC3337，其设计使得与原电池串联放置时的相关串联压降极小，无限动态范围库仑计数器记录所有累积的电池放电，并将其存储在可通过I2C接口访问的内部寄存器中。LTC3337的静态电流消耗仅为100nA，有助于延长电池运行时间。
LTC3337还集成了其他SoH变量监控功能，可测量并通过I2C报告电池电压、电池阻抗和温度。为适应各种原电池输入，可通过引脚在5mA至100mA之间选择峰值输入限流值。这使得该IC能为电池提供一个负载状态，从而使得无论实际负载如何，电池都能发提供最大容量。这是一种“电池友好”的特性，可延长电池单元的使用时间。LTC3337是那些仅需要偶尔供电的原电池应用的理想选择，例如前面提及的地震监测设备、应急求救装置、高压带电显示装置、智能井盖检测设，以及电子门锁、玻璃破裂检测器等应用。
可充电电池供电设备的电源管理
根据电池种类、电压的不同，ADI 提供了许多充电 IC 及集成的电源管理芯片。充电 IC 可分为线性充电器（一般用于小功率）和开关充电器，在设计电源及电池管理系统时，我们需要注意输入电压范围，是否有适配器，是否支持汽车的12V 或 24V 电池，是否支持USB 充电，是否支持太阳能电池板等，这些不同的输入有不同的电压和特性，如果有多个输入，必须考虑 IC 是否兼容。
电路设计中需要考虑设备进行插拔、带重负载以及受到 ESD 干扰、AC220V 中的瞬态干扰等引起过流或者过压情况，例如汽车电池点火时电池电压可能出现的干扰电压波形。为了保证系统的可靠性，必须增加相关浪涌抑制器，同时有插拔情况则应考虑热插拔电路。
基于LT3650的开关型充电电路
此外，充电电路的电池反向阻断保护，当 Vin 输入低于电池电压，部分充电 IC 不能反向隔离电池，电池电压会通过 IC 的 Vin 进入到电源系统。如 LT3650在对电池充电时，必须考虑在输入增加肖特基二极管或者其它防反电路，以防止输入断开时的电池反向供电。也可以使用电池防反功能的充电 IC，如 LTC4162可以防止电池电压反灌到 Vin。
采用LTC4162防止电池电压反灌到 Vin
LT3650 是一款完整的单片式、锂离子 / 锂聚合物电池充电器，其工作输入电压范围为 4.75V 至 32V （最小启动电压为 7.5V）。LT3650提供了一种恒定电流 / 恒定电压充电特性，最大充电电流可在外部设置为高达 2A （采用一个外部电流检测电阻器来设定）。
环境能量采集供电电路设计
随着物联网以及各种智能终端应用的广泛普及，传感器的应用呈现爆发之势，传感器无源化成为大势所趋——依靠传感器关联电路自身获取自然或环境中能量使传感器正常工作，即采用能量采集解决方案。近几年来针对环境能量的收集技术的研究越来越受到重视，多种形式的能量收集方式被提出，多种高效的能量收集结构被设计出来。
常见的能量采集技术和应用
集成电路技术在能量收集电路中的应用，使得能量管理电路的功耗更低，效率更高，多种电能管理芯片被开发出来。基于太阳能板或是风力的采集能量管理可以采用ADP5091，因为太阳能在不同照度下会有各自的最大功率点，并且风能也有同样的特性，就是在不同风速下一样有各自的最大功率点，因此ADP5091内部将最大功率点追踪也就是MPPT视为一个重要的特性。
ADP5091应用功能框图
透过ADP5091将能源储存至磷酸锂铁电池，使用的磷酸锂铁电池电压为3.2伏，容量为两千四百mAh，同时ADP5091有监控电池电压的功能，以及可设定对电池充电充饱时的截止电压，跟设定电池放电到最低电压时将ADP5091关闭输出，这样的功能主要是避免电池不必要的损坏并且可以延长电池的使用寿命。
同时ADP5091内部也有设置一个LDO可以提供输出1.5伏到3.6伏的电压，以及150m安培的电流给外部的MCU或是传感器来使用。ADP5091在室内微小的光源下，同样可以让太阳能板输出两伏左右的电压，同时对磷酸锂铁电池也有2到3个mA的电流来充电，这样就不需要外接变压器来供应MCU或者是传感器等IC的电源。
免责声明：本文版权归原作者所有。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！本文内容为原作者观点，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责。
为您发布产品，请点击“阅读原文”
