作者：He Hu

摘要

       在日常生活中，人们身边存在着许多不同类型的传感器设备。电源管理电路的设计是传感器的一个非常重要的方面，因为设计良好的电源管理电路可以很容易地将相关传感器的寿命延长50%以上。传感器设备的电源管理电路应根据传感器的环境条件进行设计。有三种典型条件需要不同的电源管理电路设计：

       1. 使用可用环境能量的电源管理

       2.使用特殊能源的电源管理

       3.难以获得补充能量的电源管理

       本文介绍了三种不同条件下常用的电源管理电路配置。所有这些电路均被证明能有效地帮助传感器正常高效地工作。Vidatronic开发了本文介绍的构成电路所需的许多零件，并且进行了硅验证。

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简介与背景

       在日常生活中，人们身边存在着许多不同类型的传感器设备。在汽车应用中，现代汽车使用传感器来监测温度和速度等性能特征。在医学领域，使用植入的传感器或装置来监测和检测健康问题。例如，起搏器是一个包含许多传感器和执行器的复杂系统。在山区或森林等农村地区，科学家使用传感器来监测温度、湿度和风力，帮助预测天气。所有这些传感器设备都需要高效和“智能”的电源管理电路来提高其性能和延长其寿命。

       传感器发展有两大趋势。第一种，微机械传感器变得越来越流行。与传统的大型传感器相比，微机械传感器所需空间更小，所需功耗更低，灵敏度更高。第二种，无线传感器变得越来越普遍。例如，无线传感器网络（WSNs）是指空间上分散且专用的传感器组，用于监测和记录环境的物理条件，并在中心位置组织收集的数据，已被广泛用于测量温度、声音、污染水平、湿度、风力等环境条件。[1]

       这些趋势对传感器电源管理电路的设计提出了更严格的要求。电源管理电路的质量直接影响传感器设备和系统的使用寿命。有三种典型条件需要不同的电源管理电路设计：

       1. 使用可用环境能量的电源管理

       2.使用特殊能源的电源管理

       3.难以获得补充能量的电源管理

使用可用环境能量的电源管理

       环境能量是自然存在于传感器周围区域中的能量。对于许多传感器而言，环境能量是丰富的，并且很容易用作电源。有三种主要的环境能源可用作电源：

       1.来源于风/气流的能量

       2.来源于太阳的太阳能

       3.热能

       WSNs通常建立在强气流频繁的自由空间中。将气流转化为机械振动并进一步将其转化为电能，这成为为无线传感器提供电源的可行方式。图1显示了这种能量收集系统的典型配置。[2]

图1：机械振动能量收集系统的电源管理电路

        主要由压电材料制成的能量发电机用于将环境机械振动转换成小的未经调节的交流电信号。电源管理单元将交流信号转换为直流信号，并通过直流-直流（DC-DC）转换器将其进一步调节到一定的直流电平，然后这可被传感器电路所使用或被存储在能量存储单元中。设计该系统的主要挑战是处理极低电源信号。环境能量产生的电信号可以是几微瓦甚至几十纳瓦。电源管理电路需要以一种智能的方式进行设计，以便能够有效地处理这种低电平的电源。在电源管理电路中保持低噪声水平也是必要的。

        由于从环境中获取的能量水平极低，其噪音水平已经接近普通模拟电路的噪声水平。这意味着在构建这些电源管理电路时需要低噪声设计。设计这些电路的第三个挑战是对半导体器件的特殊要求。许多互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺中的典型二极管或晶体管的阈值为0.5 V至0.6 V。收集的能量的电压电平通常为0.1 V至0.2 V，整个电源管理电路的电源通常低于1 V。这意味着需要采用处理低压设备和电路的特殊技术。Vidatronic提供了许多专用于低功率、低噪声和低电压应用的电源管理电路。例如，Vidatronic的Power Quencher®LDOs不需要任何外部电容器，并且经过优化，可以直接集成到专用集成电路（ASIC）或系统级芯片（SoC）的管芯上。这种无电容配置有助于减少宝贵的印刷电路板（PCB）面积，降低总体成本，提高系统的可靠性和安全性。

       太阳能作为一种环境能源广泛应用于工业和人们的日常生活中。在山区或沙漠等偏远地区，太阳能可以作为多种传感器系统的主要能源。在阳光强烈的晴天，太阳能是足够的，然而，在多云天气或夜间，没有太阳能。因此，它的电源管理电路必须包含一个重要的组件：一个能量存储单元，当阳光微弱或根本没有阳光时，它可以使传感器继续工作。图2显示了典型太阳能供电系统的配置。[3] 本应用中的电源管理电路主要由电池管理模块和电源转换模块组成。这两个模块的质量决定了系统的功率效率。

 图2：基于太阳能的系统的电源管理电路

       与前面提到的能量收集系统不同，太阳能系统需要处理20~30 V的电压电平，因为通用型的太阳能电池板的输出电压在这个范围内。此外，输出电流可以达到700~800 mA。电源管理电路必须在这样的高电压和高电流电平下工作，这对CMOS技术是一个挑战。Vidatronic在高压电源管理电路的设计方面有着丰富的经验。例如，Vidatronic的极为精确的带隙电压基准IP核可在1.5~5.5 V的宽输入电压范围内工作，其电源抑制比可高达90 dB~100 kHz。

       热能存在于各种条件下。通过一种称为塞贝克效应的现象将热流（温差）直接转化为电能的装置称为热电发电机（TEG）。[4] 微机械TEGs可以作为其他小型传感器的电源。在设计这个系统时最大的挑战是热条件通常在短时间内发生很大的变化。TEG的典型电源管理系统如图3所示。

图3:TEG系统的管理电路

       通常使用电荷泵从TEG获得热电能并将其转换为直流电源。线性电压调节器（通常是LDO）将稳定电源，并为传感器提供相对安静的直流电压。电荷泵的控制电路是非常重要的，它与输出电流传感器一起构成反馈回路来调节电荷泵。在这种系统中，功率效率是非常重要的。电源管理电路不应消耗过多的功率，否则从TEG获得的功率将消耗在电源管理电路上。Vidatronic的Flexsupply®系列包括不同类型的开关电容电荷泵。它们可以在1.6 ~3.63 V的输入电源内工作，并根据需要提供不同的驱动能力。其功率效率可高达70%。

使用特殊能源的电源管理

       植入的设备已经使用了几十年。由于其特殊的工作环境，电力必须以特定的方式传输到这些设备上。多年来，这些设备一直使用电池作为能源。例如，传统的起搏器通常使用电池来维持其工作。然而，与这些电池相关的健康风险和寿命限制近年来引起了越来越多的关注。不同类型的健康电力传输方法已经被开发出来。射频（RF）无线充电技术就是其中之一。

       图4显示了一个典型的射频无线充电起搏器系统。[5] 这项技术主要利用人体肌肉对射频信号是透明的这一事实。发射天线和接收天线之间的电磁耦合实现了电力的传递。两个天线的设计是该系统的一个关键点，但高质量的外围电源管理电路对高功率传输效率也是至关重要的。

图4：无线充电起搏器系统的电源管理电路示例

       在图4所示的系统中，电源管理电路至少有四个重要部分：开关、功率放大器、交流-直流转换器和直流-直流转换器。开关电路根据传感器的反馈控制功率放大器。功率放大器用于向天线块传输功率。交流-直流转换器和直流-直流转换器有助于将接收到的射频信号转换为一定电平的直流电源，然后该直流电源可以被起搏器模块使用，并被存储于可充电的能量存储单元中。Vidatronic的团队在这些模块方面具有设计经验。

难以获得补充能量的电源管理

       一些传感器所处的环境具有极为苛刻的条件：低温、非常黑暗、无气流或难以抵达。在这些条件下，只能使用电池为传感器供电。这些传感器中电源管理电路的主要任务是以最有效的方式使用电池能量。为了提高这些电源管理电路的能量效率，必须采用几种特殊的技术。[6]

避免使用线性稳压器

       线性稳压器（如LDO）广泛用于通用电源管理电路。 它们为其他电路提供稳定且安静的直流电源。 然而，它们牺牲了相当多的功率效率。 对于能量非常宝贵的极端环境中的电源管理电路而言，这是没有意义的。 例如，一个LDO电路输入1.8 V以及其输出1.1 V，则在不考虑LDO消耗的静态功率的情况下它会损失电池所传输的总能量的至少38.9％（（1.8-1.1）/1.8 * 100％）。

       在电池能量有限的情况下，此电源管理电路将无法工作。

       在没有线性稳压器的情况下，电源管理电路设计的主要挑战是如何使电路在非常“嘈杂”的电源中正常工作。电源抑制比（PSRR）是一种用来评价与电源的稳定性有关的电路性能的指标。在这种情况下，需要一个高PSRR电源管理电路。Vidatronic的400 mA开关直流-直流降压稳压器IP核是为满足高效率要求而设计的。它可以提供400 mA的输出电流，其功率效率最高可达93%。

使用功率门控技术

       功率门限是电源和WSN节点之间的开关。使用功率门控技术的电源管理电路的基本配置如图5所示。

图5：传感器电源管理电路中功率门控技术的基本配置

        通常，它们是P沟道金属氧化物半导体（PMOS）或N沟道金属氧化半导体（NMOS）开关，可以切断电源线或地线与传感器之间的连接。这样可以大大降低传感器的待机功耗。几乎所有传感器模块都有关闭或禁用引脚，可用于关闭模块。然而，即使可以通过编程这些引脚来关闭这些模块，但是它们的关闭泄漏电流通常超过1µA。在极端环境中，这也会在一定程度上缩短电池的寿命。使用功率门限，可以完全切断泄漏电流。折衷的是，

       这些传感器模块的启动或唤醒过程将需要更多的时间。在许多情况下，传感器模块每小时甚至每天只执行一次测量，因此启动速度不是很重要，并且可能会很慢。

       泄漏门控技术是在功率门控技术的基础上发展起来的。它处理不同模块之间接口的泄漏，特别是输入输出（I/O）接口的泄漏。例如，在图5中，模块A的输出端口连接到模块B的模拟数字转换器（ADC）输入端口。当模块A通过功率门限关闭时，模块B仍在运行。这可能会导致模块A的输出端口变成浮动状态，从而导致模块B的ADC输入端口大量泄漏。由于这种泄漏不会通过模块A的电源线或地线发生，因此通常很难发现。因此，泄漏门限是必要的。在模块A和B之间的这种连接中增加门限，将直接切断接口泄漏，节约能源。

对微控制单元（MCUs）使用低电源电平

       许多微控制单元（MCU）芯片可以在一定的最小到最大电压范围内工作。例如，有些芯片使用1.8 V的电源；但是，它们也可以使用低至1.62 V甚至更低伏的电源。性能可能会有所下降，但通常在可接受的范围内。这为降低这些芯片的功耗提供了一种有效的方法。降低20%的电源可降低约20%的功率。如果没有其他方法可以降低功耗，则可以考虑使用此方法。

结论与总结

       对于在不同的环境中的传感器而言，选择合适的电源管理电路对传感器的寿命至关重要。对电源管理电路的特殊要求通常是低功耗、低噪声、高电压、大电流，甚至与无线和射频有关。这些在很大程度上取决于传感器的工作位置。Vidatronic在这一领域有着丰富的经验。许多Vidatronic IP核可以满足严格的要求或根据不同客户需求来进行定制。

参考文献

[1]维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_sensor_network

[2] Marzencki，Marcin，Yasser Ammar和Skandar Basrour.《集成的功率收集系统，包括MEMS发生器和电源管理电路》. 传感器和执行器A：物理145（2008）：363-370.

[3] Shiau，Jaw-Kuen等人. 《用于实验无人机的太阳能管理系统的设计》.IEEE在航空航天和电子系统上的交易45.4（2009）：1350-1360.

[4]维基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Thermoelectric_generator

[5] Abiri，Parinaz等人. 《通过微型起搏器和远程刺激控制系统感应供电的无线起搏器》. 科学报告7.1（2017）：6180.

[6] Silva，Agnelo，Lingyan Liu和Mahta Moghaddam. 《基于不可充电电池的无线传感器网络和类似低功耗通信设备的电源管理技术》. 计算机网络与通信杂志 2012（2012）