一种基于微能量采集和节能模式设计的节能方法

刘 斌

（中国科学院 微电子研究所，北京100029）

引 言

近年来，随着能源危机的出现以及人类对于环境问题的关注，能量采集越来越得到重视，而且有向微型化发展的趋势[1]。对于电子终端设备而言，电源是保证其正常工作的必要因素，电池的续航能力非常重要。因此，研究能量采集技术具有非常现实的意义，从大的方面来说符合建设节约型社会的国家政策，同时契合低碳环保的理念，有利于可持续发展；从小的方面来说可以增强电子设备的续航能力，减少设备需要频繁充电的麻烦。

节能可以从开源、节流两方面来考虑：①收集设备周边环境中可能存在的尚未被有效利用的能量，用以供设备使用，此为开源；②降低设备的功耗，此为节流。本文设置了基于TI公司低功率升压转换芯片BQ25504的微能量采集方案，同时设置了计步器的工作模式，显著增强计步器的续航能力，达到了节能目的。

1 能量采集模块设计

广义的能量采集已经出现了几个世纪，比如早期的风车、水磨。现在，能量收集技术主要是指把大自然中的一些能源收集起来转化成电能给系统供电[2]。对于小型电子设备而言，由于设备体积等因素的限制，采用的能量收集方案只能是微能量采集。在微能量采集领域，TI公司开发了多款可用于微能量收集的芯片，本文采用其低功率升压转换芯片BQ25504设计微能量采集模块。

1.1 BQ25504特征介绍

BQ25504芯片在输入电压Vin为330 m V时启动，启动后可以持续在80 m V直流输入下持续采集能量，收集器件采集到μW或者m W级别的能量[3]。该芯片可以采用灵活性的设计，使其可以支持多种能量存储元件，采集器抽取能量的来源可以是零星的或者随时间变化的。系统通常需要一些类型的能量存储元件，例如可充电电池、超级电容器，或者传统电容器。为防止损坏用户的存储元件，该芯片可根据用户设定的过压（OV）和欠压（UV），对最高和最低电压进行监视。当储能电池或者电容器的电压降至低于预设临界水平时，BQ25504触发电池正常标识以向附加的微控制器传递信号，触发负载电流以防止系统进入欠压状况。OV、UV和电池正常阀值可独立编程，只需采用合适的外围电阻即可实现。

1.2 模块设计

图1为本文设计的能量采集电路。其中VIN接口连接能量转换器件，BQ25504芯片可收集的能量非常广泛，有太阳能、热能、动能等。本设计采用一块2 cm×3 cm的太阳能电池板采集能量，输入电压VIN为1.5 V，BATTERY接口连接储能元件，采用容量为90 m Ah时的小型锂电池储能。

图1 能量采集电路

BQ25504芯片采用一个可编程最大功率点跟踪（MPPT）采样网络以优化至器件的功率传输。MPPT的实现由引脚3上的采样电压VREF＿SAMP与引脚2上开路电压VIN＿DC的比率来实现，这两个电压的关系为：

通过采用合适的Roc1与Roc2即可以实现MPPT，通过调节这两个电阻的比率可以使输出一直保持在一个稳定的最大功率输出点。根据芯片手册指导，对于太阳能采集，电池运行在它们开路电压80%的最大功率点上[3]，本设计中Roc1取4.42 MΩ，Roc2取15.62 MΩ。

为防止损坏用户的存储元件，该芯片可根据用户设定的过压（OV）和欠压（UV），对最高和最低电压进行监视。通过采用合适的欠压过压电阻组合可以设计所需的保护电压。其中电池欠压电压VBAT＿UV，过压电压VBAT＿OV分别由式（2）、式（3）决定，式中VBIAS为芯片中设定过压欠压电压值的参考电压，典型应用中为1.25 V。其中RUV2与RUV1的和必须约为10 MΩ，ROV2与ROV1的和也必须约为10 MΩ，在本设计根据电池实际情况取VBAT＿UV为3.2 V，VBAT＿OV为4.2 V，于是采用的 RUV1、RUV2、ROV1、ROV2分别为6.1 MΩ、3.8 MΩ、5.6 MΩ、4.4 MΩ。

2 计步器内部工作模式设计

图2是计步器工作模式状态机，在计步器的实际工作中，主要有4个工作状态。当设备在休眠之外的状态下连接了USB主机时，计步器被主机识别为USB HID设备，测量功能停止，在此状态下采用USB供电，同时锂电池也通过USB充电。

图2 计步器工作模式状态机

当断开USB连接后，设备进入测量态1，此时MCU和加速度芯片正常工作，LCD处于掉电状态，计步功能正常。如果在此状态10 s内有步行数据产生，同时没有按键动作发生，则计步器继续保持在此状态；如果在10 s内有按键动作产生，则进入测量态2；如果在10 s内既没有步行数据产生又没有按键动作发生，则进入休眠态；此外，如果在此状态下连接了USB主机，则进入USB连接态。

在设备进入测量态2时，LCD、MCU和加速度芯片都处于正常工作状态，设备测量功能使能，LCD显示实时的运动数据和时钟。在此状态时，如果5 s内继续有按键动作，则保持此状态；如果5 s内没有按键动作，则进入测量态1，LCD掉电；另外，如果在此状态下连接了USB主机，则设备进入USB连接态。

在设备进入休眠态后，MCU时钟停止，MCU和加速度芯片都进入休眠模式，LCD模块处于掉电状态，在此状态下，设备功耗降到最低。此时，只能通过加速度芯片产生的活动检测中断来唤醒MCU。加速度芯片产生的活动检测中断被当作MCU的外部中断源，当加速度芯片产生活动检测中断后，MCU检测到外部中断产生，于是实施唤醒动作，进入测量态1。需要注意的是，当设备处于休眠状态时，如果连接USB主机，设备是无法被主机识别的，因为此时设备的时钟处于停止状态，无法为设备提供时钟信号。

3 功耗测试结果

图3和图4分别是能量采集电路和计步器的PCB实物图。经测量，在测量态2下电路消耗总电流7 m A，在测量态1下电路消耗总电流为5 m A左右，休眠状态下总电流为100μA，采用的锂电池容量为90 m Ah，所以在不充电的情况下，设备在计步状态下可持续工作16个小时。

图3 能量采集电路PCB实物图

图4 计步器PCB实物图

能量采集电路在室外太阳光下对锂电池的充电电流为1 m A左右，在节能灯下为20μA左右，所以在没有能量采集电路的情况下，电路能持续不断地工作16个小时左右。加上能量采集电路之后，当在户外运动时只需把计步器暴露于阳光下就可以增加约4个小时的续航能力。加上能量采集电路后续航能力提高了25%左右，待机超过900个小时。本设计与目前市面上主流智能计步器的待机时长比较如表1所列，可见，本设计的待机时长具有较大优势。

表1 与主流智能计步器待机时长比较

结 语

本文阐述一种基于微能量采集和节能模式设计的节能方法，并以智能计步器为例探讨了该方法的可行性。设计了基于TI公司低功率升压器芯片的能量采集模块，经过测试，该模块在以1.5 V太阳能电池板为能量转换器件的条件下，实现了在日照和普通节能灯照射条件下m V和μW级别的能量采集，同时结合设置计步器的内部工作模式，实现了计步器的超长待机。

[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]王莹.能量采集的前景及最新动向[J].电子产品世界，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.