探索ADP5091/ADP5092：超低功耗能量采集PMU的卓越之選

在當(dāng)今電子設(shè)備追求小型化、低功耗和長續(xù)航的時代，能量采集技術(shù)成為了關(guān)鍵的解決方案之一。ADP5091/ADP5092作為Analog Devices推出的智能、集成式能量采集超低功耗管理單元（PMU），為光伏電池（PV）、熱電發(fā)生器（TEG）等能量采集應(yīng)用提供了高效、可靠的解決方案。今天，我們就來深入了解一下ADP5091/ADP5092的特點、應(yīng)用及設(shè)計要點。

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一、ADP5091/ADP5092的關(guān)鍵特性

1. 高效能量采集與轉(zhuǎn)換

ADP5091/ADP5092具備最大功率點跟蹤（MPPT）功能，可在動態(tài)感應(yīng)或無感應(yīng)模式下工作，能從PV電池或TEG等低電壓、高阻抗直流源中提取最大功率。其輸入電壓工作范圍為0.08 V至3.3 V，即使在微弱能量源下也能正常工作。通過冷啟動電路，可在低至380 mV（典型值）的輸入電壓下快速啟動，啟動后能在寬輸入電壓范圍內(nèi)高效轉(zhuǎn)換能量，將有限的能量從6 μW至600 mW范圍內(nèi)進(jìn)行高效轉(zhuǎn)換，且亞微瓦級的運(yùn)行損耗大大提高了能量利用效率。

2. 超低功耗設(shè)計

器件的靜態(tài)電流極低，SYS引腳的工作靜態(tài)電流（(VIN > VCBP ≥ VMINOP) ）為510 nA，睡眠靜態(tài)電流（(VCBP < VMINOP) ）為390 nA。這種超低功耗設(shè)計使得ADP5091/ADP5092非常適合電池供電或能量采集的應(yīng)用場景，能夠有效延長設(shè)備的續(xù)航時間。

3. 靈活的輸出配置

提供150 mA的穩(wěn)壓輸出，輸出電壓可通過外部電阻分壓器或VID引腳編程，范圍為1.5 V至3.6 V，能夠滿足不同負(fù)載的電壓需求。同時，該輸出支持自動滯回升壓/LDO模式或純LDO模式，可在低輸出電流（10 μA）到高電流200 mA的范圍內(nèi)保持高效。

4. 完善的電池管理功能

可對可充電鋰離子電池、薄膜電池、超級電容器或傳統(tǒng)電容器等儲能元件進(jìn)行充電管理。通過可編程的充電終止電壓和關(guān)機(jī)放電電壓來保護(hù)可充電儲能元件，避免過充和過放。同時，可編程的PGOOD標(biāo)志可監(jiān)控SYS電壓，確保系統(tǒng)在穩(wěn)定的電壓下工作。

5. 可選的備用電源路徑管理

提供可選的備用電源路徑，可連接并管理一個備用原電池。通過集成的電源路徑管理控制塊，可根據(jù)能量采集器、可充電電池和原電池的狀態(tài)自動切換電源，確保系統(tǒng)在能量不足時仍能正常工作。

6. 射頻兼容性

支持通過微控制器單元（MCU）通信暫時關(guān)閉開關(guān)，以避免對射頻（RF）傳輸產(chǎn)生干擾，適用于對RF性能要求較高的應(yīng)用場景。

二、典型應(yīng)用場景

1. 光伏電池能量采集

在太陽能充電系統(tǒng)中，ADP5091/ADP5092可高效采集PV電池的能量，將其存儲在儲能元件中，并為小型電子設(shè)備或無電池系統(tǒng)供電，如太陽能無線傳感器、太陽能充電器等。

2. 熱電發(fā)生器能量采集

在工業(yè)監(jiān)測領(lǐng)域，熱電發(fā)生器可將溫差轉(zhuǎn)化為電能。ADP5091/ADP5092能夠采集TEG產(chǎn)生的微弱能量，為工業(yè)傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等設(shè)備供電，實現(xiàn)自供電的無線監(jiān)測系統(tǒng)。

3. 自供電無線傳感器設(shè)備

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中，無線傳感器需要長期穩(wěn)定的供電。ADP5091/ADP5092可利用環(huán)境中的光能、熱能等能量進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，為無線傳感器提供持續(xù)的電力支持，無需頻繁更換電池。

4. 便攜式和可穿戴設(shè)備

對于便攜式和可穿戴設(shè)備，如智能手表、健身追蹤器等，ADP5091/ADP5092的超低功耗和高效能量采集功能可有效延長設(shè)備的續(xù)航時間，減少充電次數(shù)，提升用戶體驗。

三、工作原理與模式分析

1. 快速冷啟動電路

當(dāng)VIN引腳電壓高于冷啟動的最小輸入電壓（VIN_COLD），且SYS引腳的儲能電壓低于冷啟動操作閾值（VSYS_TH）時，快速冷啟動電路開始工作。它從VIN引腳提取能量，僅對SYS引腳的電容器充電，直到電壓達(dá)到VSYS_TH，此時主升壓調(diào)節(jié)器和充電控制器開始工作。在冷啟動過程中，效率相對較低，但能夠?qū)崿F(xiàn)較短的啟動時間，并且通過PGOOD信號可使系統(tǒng)負(fù)載具有較低的關(guān)機(jī)電流。若要繞過冷啟動，可在BACK_UP引腳連接一個原電池。

2. 主升壓調(diào)節(jié)器

主升壓調(diào)節(jié)器為開關(guān)模式同步升壓調(diào)節(jié)器，通過在VIN和SW引腳之間連接外部電感器，工作在脈沖頻率調(diào)制（PFM）模式下，將輸入電容器中存儲的能量轉(zhuǎn)移到與BAT引腳連接的儲能元件中。MPPT控制回路可將VIN電壓調(diào)節(jié)到MPPT引腳采樣并通過CBP和AGND引腳存儲在電容器中的電壓水平。為在寬輸入功率范圍內(nèi)保持調(diào)節(jié)器的高效率，電流檢測電路采用內(nèi)部抖動峰值電流限制來控制電感電流。

當(dāng)BAT引腳電壓低于在SETSD引腳編程的電池終端充電閾值時，主升壓調(diào)節(jié)器通過儲能控制器進(jìn)入異步模式；當(dāng)BAT引腳電壓高于在TERM引腳編程的電池過充閾值時，調(diào)節(jié)器停止開關(guān)。此外，當(dāng)CBP引腳電壓降至MINOP引腳電阻設(shè)置的閾值時，升壓調(diào)節(jié)器將禁用。同時，開路電壓采樣電路可定期停止升壓，也可通過將DIS_SW引腳拉高來臨時禁用升壓。

3. MPPT控制

MPPT功能可使ADP5091/ADP5092從能量采集器中提取最大能量。通過將MINOP引腳浮空，可使MPPT工作在無感應(yīng)模式，此時MPPT引腳通過一個電阻設(shè)置固定的MPPT電壓，作為升壓輸入調(diào)節(jié)參考。當(dāng)通過電阻將MINOP引腳電壓設(shè)置為低于動態(tài)MPPT感應(yīng)模式的MINOP操作電壓范圍（VMINOP_DSM）時，器件將工作在MPPT動態(tài)感應(yīng)模式，升壓輸入調(diào)節(jié)參考為VIN引腳的開路電壓按MPPT引腳電阻分壓器編程的比例縮放后的值。為使VIN電壓在ADP5091/ADP5092輸入處的能量采集器的最大功率點處工作，需定期采樣MPPT電壓并將其存儲在與CBP引腳連接的電容器中。默認(rèn)情況下，參考電壓每16秒刷新一次，通過定期禁用升壓調(diào)節(jié)器256毫秒并在BAT電壓水平超過SETSD上升閾值時采樣開路電壓的比例來實現(xiàn)。

4. 穩(wěn)壓輸出工作模式

ADP5091/ADP5092的150 mA穩(wěn)壓輸出支持滯回升壓模式、LDO模式和混合模式。

• 滯回升壓模式：升壓調(diào)節(jié)器將輸出電壓充電至略高于預(yù)設(shè)輸出電壓，當(dāng)輸出電壓增加到使輸出感測信號超過滯回比較器上限閾值（睡眠閾值）時，調(diào)節(jié)器進(jìn)入睡眠模式。在睡眠模式下，低側(cè)和高側(cè)開關(guān)以及大部分電路被禁用，以實現(xiàn)低靜態(tài)電流和高效率。當(dāng)輸出電容器為負(fù)載供電導(dǎo)致輸出電壓下降到低于滯回比較器下限閾值（喚醒閾值）時，升壓調(diào)節(jié)器喚醒并生成脈寬調(diào)制（PWM）脈沖對輸出進(jìn)行再次充電。
• LDO模式：輸出通過SYS引腳供電，需要至少一個4.7 μF的陶瓷輸出電容器。采用創(chuàng)新的設(shè)計技術(shù)，LDO可提供超低靜態(tài)電流和出色的瞬態(tài)性能，適用于數(shù)字和RF應(yīng)用以及對噪聲敏感的應(yīng)用。
• 混合模式：VIN和SYS引腳都可向REG_OUT引腳提供能量。當(dāng)負(fù)載功率低于輸入功率時，調(diào)節(jié)器退出LDO模式，僅從輸入側(cè)獲取能量。

5. 能量存儲管理

儲能元件連接到BAT引腳，能量存儲控制器負(fù)責(zé)管理充電和放電操作，監(jiān)控SYS引腳電壓，并在其高于SETPG引腳編程的閾值時使PGOOD信號置高。當(dāng)BAT引腳電壓超過TERM引腳編程的電池終端充電閾值時，升壓操作終止，以防止電池過充。當(dāng)BAT電壓低于SETSD引腳編程的電池停止充電閾值水平時，BAT引腳和SYS引腳之間的開關(guān)關(guān)閉，以防止電池深度放電，此時升壓操作進(jìn)入異步模式。

6. 備用電源路徑管理

ADP5091/ADP5092提供可選的備用電源路徑，通過集成的備用控制器和兩個背對背的功率開關(guān)連接BACK_UP引腳和SYS引腳。當(dāng)系統(tǒng)在能量采集和存儲的能量周期性不足的條件下運(yùn)行時，可在BACK_UP引腳連接一個備用儲能元件。備用控制器在SYS電壓超過冷啟動操作閾值（VSYS_TH）時啟用。在BAT電壓低于SETBK閾值之前，備用開關(guān)關(guān)閉；當(dāng)BAT電壓低于SETBK閾值時，開關(guān)狀態(tài)取決于BACK_UP引腳和BAT引腳的電壓水平，內(nèi)部BACK_UP_Mx和BACK_UP控制電路將自動確定備用開關(guān)（BACK_UP_M1和BACK_UP_M2）的通斷狀態(tài)，并選擇高電壓端作為SYS的電源。

四、設(shè)計要點與注意事項

1. 外部元件選擇

• 能量采集器：能量采集器的輸入源需為冷啟動、異步升壓和同步升壓提供最低功率水平。完成冷啟動所需的最小輸入功率可通過公式 (V{IN} × I{IN} × eta{COLD}>V{SYSTH} × I{SYSLOAD}) 估算，其中 (V{IN}) 鉗位到 (V_{INCOLD}=380 mV) （典型值），(I{IN}) 為輸入電流，(eta{COLD}) 為冷啟動效率（約5%至7%），(V{SYSTH}) 為冷啟動操作結(jié)束電壓，(I{SYSLOAD}) 為SYS引腳的系統(tǒng)負(fù)載電流。完成冷啟動后，為滿足平均系統(tǒng)負(fù)載電流，輸入源需為升壓調(diào)節(jié)器提供足夠的功率，可通過公式 (V{IN} × I{IN} × eta{BOOST}>V_{BATTERM} times (I{STRLEAK}+I{SYS_LOAD})) 估算。
• 儲能元件：儲能元件應(yīng)連接到BAT引腳，系統(tǒng)負(fù)載連接到SYS引腳。ADP5091/ADP5092支持多種類型的儲能元件，如可充電電池、超級電容器和傳統(tǒng)電容器。為過濾PFM開關(guān)轉(zhuǎn)換器的脈沖電流，需要一個等效電容為100 μF的儲能元件。儲能元件的容量需在輸入源不再發(fā)電時為整個系統(tǒng)負(fù)載供電。
• 電感器：升壓調(diào)節(jié)器需要一個合適的電感器，其飽和電流應(yīng)至少比預(yù)期的峰值電感電流高30%，并具有低串聯(lián)電阻（DCR）以保持高效率。升壓調(diào)節(jié)器的內(nèi)部控制電路設(shè)計為在標(biāo)稱電感值為22 μH ± 20%的情況下優(yōu)化效率和控制開關(guān)行為。
• 電容器：對于超低功耗應(yīng)用，需要使用低泄漏電容器，以減少效率損失、降低靜態(tài)電流并提高M(jìn)PPT的有效性。輸入電容器（(C_{IN}) ）連接到VIN引腳和PGND引腳，建議最小電容值為10 μF，對于原電池應(yīng)用，更大的電容有助于減少輸入電壓紋波并保持源電流穩(wěn)定。SYS引腳需要連接兩個電容器，一個至少4.7 μF的低ESR陶瓷電容器和一個0.1 μF的高頻旁路電容器。REG_OUT引腳的輸出電容器建議最小電容為4.7 μF，ESR為1 Ω或更小，以確保穩(wěn)壓輸出的穩(wěn)定性。CBP電容器建議使用低泄漏的X7R或C0G 10 nF陶瓷電容器，以保持MPPT的有效性。

2. 布局與組裝注意事項

在設(shè)計開關(guān)電源的印刷電路板（PCB）布局時，需特別注意高峰值電流和高開關(guān)頻率的情況。建議使用寬而短的走線用于主電源路徑和功率接地路徑，將輸入電容器、輸出電容器、電感器和儲能元件盡可能靠近IC放置。對于升壓調(diào)節(jié)器，應(yīng)盡量減小輸出到地的功率路徑，將輸出電容器盡可能靠近SYS引腳和PGND引腳放置。為減少高阻抗閾值設(shè)置節(jié)點（REF、TERM、SETBK、SETSD和SETPG）的噪聲拾取，應(yīng)將外部電阻靠近IC并使用短走線連接。此外，由于CBP電容器需要保持MPPT電壓16秒，任何泄漏都可能降低MPPT的有效性，因此建議在CBP電容器或閾值設(shè)置電阻附近不鋪設(shè)接地平面，并仔細(xì)清潔電路板。

五、總結(jié)與展望

ADP5091/ADP5092作為一款高性能的超低功耗能量采集PMU，憑借其高效的能量采集與轉(zhuǎn)換能力、超低功耗設(shè)計、靈活的輸出配置、完善的電池管理功能以及射頻兼容性等特點，在光伏電池、熱電發(fā)生器等能量采集應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際設(shè)計過程中，合理選擇外部元件并注意布局與組裝要點，能夠充分發(fā)揮ADP5091/ADP5092的性能優(yōu)勢，為電子設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠的電源解決方案。隨著能量采集技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用需求的不斷增加，相信ADP5091/ADP5092將在更多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為實現(xiàn)綠色、節(jié)能的電子設(shè)備做出更大的貢獻(xiàn)。各位電子工程師們，在你們的項目中是否也會考慮使用ADP5091/ADP5092呢？歡迎在評論區(qū)分享你們的想法和經(jīng)驗。