探索MAX20361：小型單/多電池太陽能采集器的卓越性能

作為一名電子工程師，在設(shè)計項目中追求高效、可靠且小型化的能源采集方案是我們不斷努力的方向。今天，我將為大家詳細介紹一款來自Analog Devices的優(yōu)秀產(chǎn)品——MAX20361，一款具備最大功率點跟蹤（MPPT）和采集計數(shù)器功能的小型單/多電池太陽能采集器。

文件下載：MAX20361.pdf

器件概述

MAX20361是一款高度集成的解決方案，專為從單/多電池太陽能源中采集能量而設(shè)計。它集成了超低靜態(tài)電流（360nA）的升壓轉(zhuǎn)換器，能夠在低至225mV（典型值）的輸入電壓下啟動。為了最大程度地從源中提取功率，它采用了專有的最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)，可在15μW至超過300mW的可用輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效能量采集。

同時，該器件還具備集成的充電和保護電路，該電路針對鋰離子電池進行了優(yōu)化，但也可用于為超級電容器、薄膜電池或傳統(tǒng)電容器充電。充電器具有可編程的充電截止電壓，其閾值可通過I2C接口進行編程，還具備溫度關(guān)斷功能。

特性與優(yōu)勢

寬輸入電壓范圍與高效采集

• 輸入電壓范圍：支持225mV至2.5V（典型值）的輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)不同光照條件下太陽能電池的輸出。
• 高效能量采集：可在15μW至超過300mW的輸入功率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效采集，在(V{SYS}=3.8 V)、(I{SRC}=30 mA)的條件下，效率高達86%。

小型解決方案尺寸

采用小型的2016 4.7μH電感器，有助于減小整體解決方案的尺寸，非常適合對空間要求較高的應(yīng)用。

MPPT技術(shù)

使用分數(shù)開路電壓（Fractional VOC）方法，可通過I2C接口對分數(shù)VOC調(diào)節(jié)點進行編程，確保在不同光照條件下都能快速準確地跟蹤最大功率點。

可編程功能

• 電池/超級電容器充電：可通過I2C接口對電池終止電壓進行編程，實現(xiàn)靈活的充電控制。
• 電源良好喚醒信號輸出閾值：可通過I2C接口對其進行編程，方便系統(tǒng)根據(jù)不同的電源狀態(tài)進行喚醒操作。

應(yīng)用領(lǐng)域

MAX20361的出色性能使其在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

• 可穿戴健身設(shè)備：為可穿戴健身設(shè)備提供穩(wěn)定的能量供應(yīng)，確保設(shè)備長時間運行。
• 醫(yī)療設(shè)備：滿足醫(yī)療設(shè)備對能量采集和管理的嚴格要求，保障設(shè)備的可靠性。
• 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器：在工業(yè)環(huán)境中，為傳感器提供持續(xù)的能量支持，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。
• 資產(chǎn)跟蹤設(shè)備：幫助資產(chǎn)跟蹤設(shè)備擺脫對傳統(tǒng)電池的依賴，延長設(shè)備使用壽命。
• 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供高效的能量采集，降低維護成本。

技術(shù)細節(jié)剖析

升壓轉(zhuǎn)換器

MAX20361的升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過優(yōu)化，可高效地從單/多電池太陽能源中采集能量。其開關(guān)頻率并非固定不變，而是會根據(jù)SRC電壓、SYS電壓和電感值進行調(diào)整。當(dāng)SRC電壓降至其調(diào)節(jié)點以下時，升壓操作將停止。為了減少SRC紋波，需要使用SRC電容，但電容值對穩(wěn)定性的影響并不關(guān)鍵。同時，系統(tǒng)會對SYS電壓進行監(jiān)測，當(dāng)達到調(diào)節(jié)點時，升壓操作將停止，以避免電池過充或SYS節(jié)點出現(xiàn)過壓情況。

采集計數(shù)器

該器件能夠在HarvCntH(0x0A)和HarvCntL(0x0B)寄存器中報告升壓轉(zhuǎn)換器在最后Tmeas5:4時間內(nèi)的開關(guān)周期計數(shù)。這個“采集計數(shù)”與該時間段內(nèi)采集的電流成正比。為避免誤讀，如果在最后Tmeas周期內(nèi)由于熱監(jiān)測、開路電壓測量、SYS過壓檢測、睡眠模式或I2C命令導(dǎo)致升壓停止，則HarvCntH和HarvCntL的更新將被禁止。每當(dāng)加載新的有效HarvCntH/L值時，HARrdy4位將被置位。

最大功率點跟蹤（MPPT）

在正常運行期間，MAX20361會自動測量開路電壓，并計算出從太陽能電池傳輸最大功率的最佳SRC電壓。每Tper1:0（默認情況下為64 x Tmeas，Tmeas = 50ms，即每3.2s），或在I2C請求時，內(nèi)部升壓將停止Tmeas5:4時間，然后使用內(nèi)部8位ADC測量SRC電壓。

SRC調(diào)節(jié)點通過將SRC處的測量電壓乘以Frac4:0字段來計算。上電時，MAX20361會根據(jù)Frac[4:0]的值和VOC[7:0]的默認值來調(diào)節(jié)SRC電壓，直到進行第一次VOC測量或?qū)OC[7:0]寄存器進行I2C寫入操作。

為了適應(yīng)SRC測量時間，如果ATmeas3位被置位，MAX20361將根據(jù)最后測量的“采集計數(shù)”（HarvCntH/L寄存器）來調(diào)整測量時間。當(dāng)ATper2位被置位時，器件會自動調(diào)整測量周期。上電復(fù)位后，器件會忽略第一次采集計數(shù)結(jié)果，并將第二次結(jié)果存儲在HarvCntH和HarvCntL寄存器中。如果未來的采集計數(shù)與存儲的采集計數(shù)相差2倍以上，Tper定時器將復(fù)位，并立即強制進行新的VOC測量。

低光照睡眠模式

為了節(jié)省功率，當(dāng)采集計數(shù)器的值低于SlpThd7:0閾值（默認值為0x00），或者VOC[7:0]通過VOC測量或直接I2C寫入被設(shè)置為低于默認VOC值時，MAX20361將進入睡眠模式。在睡眠模式下，內(nèi)部參考、升壓和THM監(jiān)測將關(guān)閉，SYS和THM將不再被監(jiān)測，WAKE輸出將被強制拉低。器件將保持睡眠模式，直到下一次VOC或THM測量，或者對VOC[7:0]寫入一個等于或高于默認VOC值的值。在冷啟動期間，低功耗模式將被禁止。

WAKE輸出

除了在關(guān)機或睡眠模式下，MAX20361會監(jiān)測SYS輸出。當(dāng)SYS高于WAKE閾值至少7到8 x Tmeas（典型值）時間時，WAKE輸出將被置位（WAKEbSt位將被設(shè)置為0）。當(dāng)器件進入睡眠或關(guān)機模式時，WAKE輸出將被強制拉低。

熱監(jiān)測

當(dāng)ThmEn3為1時，MAX20361會監(jiān)測THM上的電壓。如果FrcTHM6為1，則器件會進行一次VTHM檢查；如果THMper6為1，則會每隔Tper1:0時間進行一次周期性檢查。在檢查過程中，MAX20361會將REF驅(qū)動至1.2V（典型值），持續(xù)1ms（典型值）。由THM到REF的上拉電阻和THM到地的NTC熱敏電阻組成的分壓器會為THM提供一個與溫度成比例的電壓。當(dāng)(V_{THM })高于(VREF)的57.5%或低于(VREF)的18.7%時，THMflag6將被置位，升壓操作將停止。如果使用β = 3380的10kΩ NTC熱敏電阻和22kΩ上拉電阻，這些閾值分別對應(yīng)于0°C和45°C。

器件還會在上電和EN下降沿進行THM檢查。在第一次THM檢查完成之前，將假定存在故障條件。

關(guān)機模式

當(dāng)EN引腳為高電平或DeviceEnb1為1時，器件將進入關(guān)機模式。在這種狀態(tài)下，電流消耗將被最小化，SYS、THM和SRC將不再被監(jiān)測，WAKE輸出將被強制拉低，內(nèi)部振蕩器將關(guān)閉。除了I2C相關(guān)的值外，所有內(nèi)部邏輯都將保持復(fù)位狀態(tài)。在關(guān)機狀態(tài)下，只有(V{CC})上的上電復(fù)位（POR）是激活的，(VCC) - SYS開關(guān)將保持斷開，直到(V{CC})高于POR閾值。當(dāng)EN為低電平且DeviceEnb為0時，器件將退出關(guān)機模式。

冷啟動功能

MAX20361的冷啟動功能使其即使在(Vsys)低于喚醒閾值或不存在的情況下也能啟動。在冷啟動時，器件最初會使用低功耗電荷泵從SRC上的電源（如太陽能電池）為(VCC)充電，而此時SYS不會被充電。一旦(VCC)充電至高于POR電平，內(nèi)部參考將被啟用，主升壓將接管電荷泵的工作。隨著主升壓繼續(xù)充電，(VCC)和SYS將充電至高于喚醒閾值，(VCC) - SYS開關(guān)將閉合，器件將由SYS供電，完成冷啟動過程，進入正常運行狀態(tài)。

源鉗位功能

通過DISintb4位，可將INT輸出重新配置為推挽式DISsrc輸出，以驅(qū)動外部鉗位電路，防止SRC出現(xiàn)過壓情況。鉗位電路可由外部nMOS和負載電阻組成。當(dāng)鉗位電路開啟時，SRC將通過外部負載電阻放電。當(dāng)升壓轉(zhuǎn)換器啟用時，DISsrc將被驅(qū)動以轉(zhuǎn)移多余的輸入電流，從而使SRC能夠進行調(diào)節(jié)。在關(guān)機模式下，DISsrc輸出將被靜態(tài)驅(qū)動為高電平。在VOC測量和睡眠模式期間，DISsrc輸出將被禁用。

應(yīng)用設(shè)計要點

電感選擇

升壓調(diào)節(jié)器的正常運行需要選擇合適尺寸和值的電感器。電感器必須連接在SRC（引腳B1）和LX（引腳C1）之間。為了優(yōu)化升壓調(diào)節(jié)器的性能，如效率，推薦使用標稱電感值為4.7μH ± 20%的電感器。電感器應(yīng)具有低串聯(lián)電阻（DCR），以最小化損耗并保持高效率。推薦的電感范圍為4.7μH至22μH。

電容選擇

所有選擇的電容器都需要具有低泄漏特性。電容器的任何泄漏都會導(dǎo)致效率損失、靜態(tài)電流增加，并降低能量采集過程的有效性。數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的電容值是考慮了電壓降額后的有效電容值。由于小陶瓷電容器在直流偏置增加時會迅速失去有效電容，因此需要確保直流降解不會影響位于(VCC)、SRC和SYS的旁路電容器的有效電容。

• SRC電容：連接到引腳SRC（CSRC）的電容器用于最初存儲來自采集輸入源的能量。輸入能量源的輸出電容決定了SRC電容器的值。推薦的最小有效電容為10μF。對于10μH和22μH的電感，推薦使用更大的電容（22μF）。
• SYS和(VCC)電容：需要在MAX20361的系統(tǒng)輸出（CSYS）上連接一個旁路電容器。該電容器需要具有低等效串聯(lián)電阻（ESR），推薦的有效電容為1μF。

nMOS晶體管選擇

I2C接口與寄存器配置

I2C接口

MAX20361包含一個與I2C兼容的接口，用于與主機控制器（SCL和SDA）進行數(shù)據(jù)通信。該接口支持高達400kHz的時鐘頻率。SCL和SDA需要連接到正電源的上拉電阻。在使用I2C寫入MAX20361時，主機會發(fā)送一個起始條件（S），然后是MAX20361的I2C地址。之后，主機會發(fā)送要編程的寄存器地址。最后，主機會通過發(fā)出停止條件（P）來結(jié)束通信，或者通過發(fā)出重復(fù)起始條件（Sr）來與另一個I2C從機進行通信。

寄存器配置

MAX20361的寄存器提供了豐富的配置選項，可用于控制器件的各種功能。以下是一些重要寄存器的簡要介紹：

• DeviceID (0x00)：用于讀取芯片的標識和版本信息。
• Status (0x01)：包含多個狀態(tài)位，如VOCValid、THMflag、HSYSFlag等，用于指示器件的各種狀態(tài)。
• SysRegCfg (0x04)：用于配置SYS的調(diào)節(jié)模式和充電閾值。
• WakeCfg (0x05)：用于配置喚醒閾值和VOC、THM測量周期。
• MpptCfg (0x06)：用于設(shè)置MPPT的分數(shù)VOC調(diào)節(jié)點。
• MeasCfg (0x07)：用于配置測量時間和周期。

結(jié)語

MAX20361以其卓越的性能和豐富的功能，為單/多電池太陽能采集應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。它的超低靜態(tài)電流、高效的MPPT技術(shù)、靈活的充電控制以及多種保護功能，使其在可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。在實際設(shè)計中，我們需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理選擇電感、電容和nMOS晶體管，并正確配置寄存器，以充分發(fā)揮MAX20361的優(yōu)勢。大家在使用MAX20361的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。