使用冷启动电路来实现微瓦能量的收集

　　能量收集可以提供足够的能量，以消除电池的需要，同时保证连续运行数年甚至数十年。然而，对于可穿戴设备和物联网应用程序来说，可用的环境源可能会产生低于电路阈值的转换电压水平。对于这些设计，工程师可以应用一些方法来冷启动低功率DC/DC转换器，甚至可以使用集成的冷启动功能找到电源管理ICs (PMICs)。使用这些低电压的启动方法和设备，工程师可以确保设备的运行，即使是微弱的环境能量来源。

　　从环境来源获取能量为需要长期运行的应用程序提供了一种有效的解决方案，无需更换电池的成本和并发症。在工业应用中，环境能量通常是丰富的，其特点是高温和振动，但在其他许多领域，能量收集可能只会从可用的能源(表1)中产生能量的细流。

　　表1:可用的环境源可能提供非常低的功率，特别是对于可穿戴设备和物联网设备，这些设备依赖于人力能源提取或低功率的Wi-Fi能量采集。

　　尽管半导体工艺技术继续降低设备门限电压，即使是最有效的能量收集方法也只能产生阈值电压水平。

　　启动电路

　　在典型的高效率DC/DC转换器中，低电压输入不足以激励内部电压转换电路。事实上，DC/DC变换器的规格包括最低输入电压水平的操作。当电压降至最低水平时，冷启动电路可用于引导转换电路。在这些电路中，低输入电压的水平足以驱动振荡器，进而驱动启动开关-升压转换器的开关，从而牺牲效率，使其在低电压水平下运行。当输入电压升高时，能量采集系统可以关闭启动转换器，并允许操作以更有效的转换器进行。

　　能量收集的设计者可以找到具有低电压冷启动功能的PMICs，它实现了这种启动振荡器电路，并利用其输出驱动开关升压变换器的门。例如，德州仪器在itsTPS61220转换器中使用了一个启动振荡器(图1)，如果该设备的输入电压不够高，无法正常地提供控制电路，启动振荡器就会操作集成到设备中的开关。在此阶段，振荡器控制开关频率，最大开关电流受限。当设备的输出电压高到足以供应控制电路(约1.8 V)时，设备就会切换到正常的工作模式。

　　德州仪器TPS61220系列图。

　　图1:在德州仪器TPS61220系列中，当Vin处于阈值电压水平(a)时，启动振荡器驱动一对MOSFET门。L pin和输出电容在Vout之间的电感器，完成了熟悉的开关-boost拓扑(B)。

　　引导序列

　　尽管这些引导转换器提供的输出功率有限，但它们的输出足以驱动更高效的开关管理器，以接管转换过程，并禁用低效率的启动转换器。STMicroelectronics在SPV1050中使用了这种方法，它既集成了低压充电泵的升压转换器，又集成了高效的推杆开关转换器。

　　当能量转换器连接时，SPV1050设备(图2)将以低至120 mV的输入电压开始。当水平低于2.6 V时，设备使用集成的高效电荷泵来提高电压，而开关转换器仍然是禁用的。在2.6 V以上，设备的集成开关变换器提高了电压。

　　线性技术的LTC3108能量采集集成电路图。

　　图3:线性技术的LTC3108能源收获集成电路结合了冷启动功能和功率排序功能，能够确保每个设备输出的电压水平。(由线性技术)

　　总结

　　能源收获提供了一个几乎取之不尽用之不竭的电力来源，可以支持低功率设计的无电池运行多年或数十年。然而，对于许多可穿戴设备和物联网设计，可用的环境源可能存在弱的能源，有时提供的电压水平远低于典型的电压转换器的运行最低限度。在这些应用程序中，启动电路通过结合自起动振荡器和简单的升压转换器来提高非常低的电压输入。这些启动电路通常以转换效率为代价实现低电压操作。因此，更高效的能量采集设计结合了这些低效率的启动电路和高效率的开关转换器，当电压水平上升时可以转换成转换开关。