摘要
今日的物联网(IoT)是由数量巨大的安装在人类极难挨近当地的长途传感单元组成，为确保事务不中止，下降检修本钱，这些传感单元有必要智能办理动力，彻底自主运转。这些要求标明，能量收回及充电规划有必要确保转化能效极高，充电办理恰当，尽或许从环境提取更多的电能送到电池，以最快的速度储存电能，并且不会损坏电池或缩短电池续航时刻。
为满意这些技能需求，意法半导体推出了一款微型封装或裸片的超低功耗直流-直流转化器芯片，该芯片可用于太阳能光伏(PV)板或热电发生器(TEG)，依据从动力提取电能优化技能的最大功率点追寻算法(MPPT)，内置一个能效极高的电源办理模块，可以给任何类型的电池快速充电，或为微操控器、收发器、传感器等周边配套芯片供给电能;适用于室表里作业条件和十分小的温度梯度。经过进步体系集成度和可靠性，一起大幅下降体系组件整体本钱，SPV1050体现出了依据无线传感器网络(WSN)的工业运用的中心产品的悉数重要特性，这些工业运用包含工业生产操控、工厂自动化、环境和气候/楼宇监督、智能照明以及手机配件、便携设备、医疗设备、健身穿戴设备等消费运用。
图1–SPV1050的方针运用
前语
SPV1050超低功耗高能效能量收回及充电器的最大输出功率约400mW，依据全桥全嵌入式DC-DC转化器，硬件可设为升压或降压转化形式，输入电压规模从75mV至18V，因而，适用于商场大多数热电发生器(低压高电流)和太阳能电池板(高压低电流)，为使输入级阻抗与换能器输出阻抗匹配，还完成了一个高效的MPPT算法。
该功率点追寻算法依据环境改变条件实时更新最大功率点(MPP)，其作业原理是一般每16秒对输入电压进行一次采样和记载，然后将采样暂存在一个外部电容器内，因而，可以定时更新内部MOSFET的开关占空比，以跟从VMPP算法，即使是在辐照、度热梯度条件极易改变时也是如此。开始时，经过一个外部电阻器的分压器，依据电源参数和典型作业条件，用户可以设置MPP功率点，如需求，还可以封闭MPPT算法。
为防止充放电过量，内部高精度逻辑模块经过一个外部电阻器分压器监督电池电压，由于电池调整电压可以设定在2.6 V到5.3V规模内，可满意任何类型电池充电约束(液态锂电池、聚合物锂电池、超级%&&&&&%电池、薄膜固态电池、镍氢电池)。一起，依据所用电池的技能和拓扑，欠压阈值可设在2.2V到3.6V之间，这两个阈压值均可准确设定，精度为±1%。
图2–SPV1050架构
SPV1050内置两个彻底独立的低功耗LDO稳压器，输出电压分别为1.8V和3.3V。每个稳压器可以为负载供给最高200mA的电流，确保±0.5%的最大压降。一旦敞开，只有当电池电压在Vuvp+5%和Veoc之间时，稳压器才会向负载开释电能。因而，任何负载都不会遭到电池电量不稳或低电的影响。此外，两个低电平有用数字输出向主操控器陈述电池是否在充电(BATT_CHG)和逻辑电平传输晶体管(pass-transistor)开关是否闭合(BATT_CONN)。SPV1050有QFN 5×520引脚封装和裸片两款产品，图2是框图。
SPV1050的作业原理
充电器
为确保电池的续航才能和整个体系的安全，SPV1050内部操控逻辑电路驱动STORE和BATT两个引脚之间的逻辑电平传输晶体管，这样电池电压一直保持在欠压维护(UVP)阈值和充电完毕(EOC)阈值之间。在充电器第一次导通前，逻辑电平传输晶体管关断。在这种情况下，电池流出的电流仅仅技能性走漏电流，电流值低于1nA。极低的电流耗费可延长“上架时刻”，防止“发动前”电池放电。只需STORE引脚电压上升，则逻辑电平传输晶体管导通，EOC引脚上电压阈值被激活，只需电池充溢电量，DC-DC转化器将会中止开关操作，直到VSTORE>VEOC-EOCHYS停止，一旦电压低于差值，转化器就会重新开始作业。相同，为防止过度放电，假如STORE引脚电压低于VUVP阈压，逻辑电平传输晶体管将会关断。经过在STORE、UVP和EOC引脚之间分配电阻，设置VUVP和VEOC两个阈压，即可完成这两项功用。
下图描绘了在电池充电电压、输入电压不同的典型用例中，在环境温度下，直流-直流转化器升压形式的转化功率。
图3：SPV1050转化能效(升压形式)
电源办理器
实践上，SPV1050仍是一个内置两个LDO稳压器的电源办理器，经过相关输出引脚供给1.8V和3.3V稳压电源，依据每个稳压器向负载开释的电能功率，LDO稳压电源的电能或许来自能量收回电源或蓄电池。可是，若想要LDO供给任何巨细的电流，需求衔接电池，这就是说，STORE和BATT引脚之间的逻辑电平传输开关有必要闭合。可挑选敞开每个LDO稳压器，或许向相关使能引脚馈入高电平有用信号来封闭每个LDO稳压器。
若想具体了解SPV1050的作业原理和运用设置，请拜访意法半导体网站上的产品数据手册。
SPV1050的规划东西-评价板和参阅规划
SPV1050评价板
SPV1050配有全套的评价板、演示板和参阅规划东西，咱们向初度触摸这款产品的开发规划人员强烈推荐评价板。
STEVAL-ISV019V1(图4)评价板让用户可以运用SPV1050的悉数功用，快速树立一个评价渠道，在一个实体设备上测验这款器材的功用。评价板包含正常运转所需悉数无源器材，供给多个芯片电压监督丈量点，完成了升压装备，让运用规划人员可以快速发现最佳的体系装备，优化SPV1050的作业点和能效，板载衔接能量收回电源和电池的接口。该评价板是一个典型的搜集太阳能并转化成电能(0.5 V ≤VMPP ≤ 2.5 V, 30 μA ≤ IMPP ≤ 20 mA)充入电池(3.7 V欠压维护阈压(UVP)和4.2 VEOC阈压)的用例。只略加改动运用组件，规划人员即可将任何类型输入电源(PV, TEG, USB等)与电池匹配，概况拜见运用笔记AN4394。
图4：STEVAL-ISV019V1
当芯片装备成降压形式时，STEVAL-ISV020V1(图5)评价板可以让开发人员拜访SPV1050的悉数功用，经过优化后，评价板可以搜集太阳能板的电能(2.6 V ≤ VMPP ≤ 9 V, 10 μA ≤ IMPP ≤20 mA)给电池充电(3.7 V UVP阈压和4.2 V EOC阈压)。只需修正运用组件，用户即可将任何电源(PV, TEG, USB等电源)与电池匹配，概况见AN4397运用笔记。
图5-STEVAL-ISV020V1
SPV1050演示板
STEVAL-ISV021V1 (图6)是一整套演示东西，包含一个依据SPV1050的能量收回模块。经过运用一个功用互补的功率监督板，该演示板变成一个功用强大的当即可用的演示东西，可以显现能量收回器的电气功用，例如MPPT的准确度、转化能效、输入和输出功率、电源和电池的电压和电流。为运用选光伏板给电池充电，该芯片可装备成降压-升压转化器。
功率监督板合作软件图形用户界面(GUI)，可以监督换能器电气特性和实践/理论最大功率点。总归，STEVAL-ISV021V1套件是一个独立的能量收回模块，可以收回电能，给电池充电，可衔接为其供给热能或太阳能的方针运用板。此外，能量收回模块内置一个扩展衔接器，可衔接微操控器外接板，用于搜集并监督额定的SPV1050输入输出信号。概况见AN4394运用笔记。
图6-STEVAL-ISV021V1
SPV1050参阅规划套件
STEVAL-IDS002V1(图7)是一整套彻底可装备的参阅规划，完成了一个光伏模块驱动的点对点无线传感器节点。这套规划是一个SPV1050驱动的全集成的多传感器板，板载意法半导体的全套传感器：温度传感器、气压传感器和3轴加速度计。除意法半导体的传感器外，还集成STM32微操控器和Spirit1 RF Sub-Giga发送器。这套参阅规划还包含一个依据USB口的Spirit接纳器。
图7-STEVAL-IDS002V1
作为参阅规划的组件，功率监督板(图8)让用户可以评价能量收回部分的电气功用，例如，MPPT精度、转化功率、输入输出功率、电源和电池端的电压电流。该参阅规划可过与PC机无线通信，让用户可以检查一切传感器的数据。实践上，这套参阅规划支撑STEVALISV021V1的完整版图形用户界面软件，可以显现多传感器板以预设速率传送的数据。发送部分依据STM32L151低功耗32位微操控器，用于设置传感器装备和数据通信周期。数字温度传感器STTS751、压力传感器LPS331AP和3轴加速度计LIS3DH经过I2C总线衔接微操控器。概况见AN4395运用笔记。
图8-STEVAL-IDS002V1和功率监督板
SPV1050评价软件和图形用户界面
STEVAL-ISV021V1和STEVAL-IDS002V1支撑一个十分好用的软件图形用户界面，评价软件可从意法半导体官网www.st.com下载。在这个图形用户界面上有四个不同的指令按钮。
“Configuration”按钮(图9)用于装备某些参数，例如，采样速率、数据传输速率、自动传感器和发射功率。点击相关指令按钮，经过USB接口，可将装备参数保存到微操控器的程序存储器内。
图9 – “Configuration”按钮
“Data Visualization”按钮(图10)供给一切自动传感器的读数，STEVAL-IDS002V1板载发送器担任发送数据，衔接PC机的Spirit1接纳板担任接纳数据。该运用还能显现嵌入式LDO2稳压器的输出电压和射频发射功率，稳压器给多传感器板上的一切组件供电：微操控器、传感器、发送器电路。
图10 – “Data Visualization”按钮
“Power Visualization”按钮(图11)显现电源和电池的电压电流信息。终究，“Efficiency”按钮(图12)显现换能器电气特性，以及电源和电池之间的功率预算、MPPT精度、转化能效、光线辐射级(光照度)和太阳能板的Voc电压。
详见软件用户手册UM1752。
图11 – “Power Visualization”按钮
图12 – “能效”按钮
定论
SPV1050单片集成能效极高的能量收回及充电器和给一切周边配套芯片供电的电源办理器，降压-升压结构使其具有极高的运用灵活性，适用于多种不同的输入电源，节约印刷电路板空间，削减外部组件数量，进步终究运用的可靠性和紧凑性，下降体系整体本钱，是多种不同的运用的最佳挑选，例如，穿戴式设备、健身器材、楼宇和家庭自动化、智能照明、门禁、手机配件等。
参阅文献
[1] STPV1050 Datasheet: “Ultralow power energy harvesterand battery charger” – August 2015. http://www.st.com/st-webui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/DM00100984.pdf.
[2] AN4394 Application Note: Evaluation board for SPV1050ULP harvester (boost architecture) – May2014.
[3] AN4397 Application Note: Evaluation board for SPV1050ULP harvester (buck-boost architecture) – May2014.
