過去幾年，各大公司都做出了相當大的努力，目標是讓一些持續供電和無電池型系統能夠利用自然能工作。開發這種系統所需的關鍵集成電路 (IC) 是超低功耗微處理器、無線電器件和電源管理 IC。盡管我們在低功耗微處理器和無線電器件方面已經取得了相當大的進步，但適用于能源采集應用的一些電源管理 IC 只到最近才出現在市場上。本文將簡單介紹一些可用自然能源，之后將詳細討論為這些能源選擇 PMIC 時需要考慮的因素。

自然能電源廣義上可劃分為直流 (DC) 電源和交流 (AC) 電源。DC 電源包括采集自各種能源的采集能量，它們隨光照強度和熱梯度變化較慢，使用太陽能電池板和熱電發電機。這些采集器的輸出電壓不必經過整流。AC 集成器包括使用壓電材料、電磁發電機和整流天線，采集自振動和射頻功率的能量。在用于為某個系統供電以前，必須對這些能源采集器的輸出整流至某個 DC 電壓。本文中，只有 DC 能源采集器被看作是利用這些能源的能量采集器，相比 AC 采集器，它更容易獲得高輸出。

圖 1 一般能源采集系統結構圖

圖 1 顯示了能源采集系統的一般架構。該總系統由自然能電源、能量緩沖器（超級電容器/電池）、電源管理集成電路 (PMIC) 和系統負載組成。由于能源可用能量取決于隨時間變化的環境條件，因此獲取能源能量后存儲于能量緩沖器。系統負載通過能量緩沖器供電驅動。這樣做可讓系統在沒有可用自然能的情況下仍然能夠正常工作。電源管理單元由一個 DC/DC 功率轉換器（能源采集器接口經過優化）、電池管理電路、輸出穩壓器和冷啟動單元組成。接下來，我們將逐一討論這些模塊的功能和設計考慮因素。

充電器
充電器的功能是從太陽能電池板或者 TEG 獲取最大有效能量，然后將其傳輸至存儲組件。充電器的主要考慮因素包括拓撲結構、效率、最大功率提取網絡和復雜度。常見充電器拓撲包括線性壓降 (LDO) 穩壓器、降壓轉換器、增壓轉換器和升降壓轉換器。

使用太陽能電池板時，拓撲結構主要取決于太陽能電池板堆棧的輸出電壓。一般而言，單節電池太陽能板的輸出為 0.5V。因此，對于單節電池和兩節電池太陽能板的系統來說，要求使用一個增壓轉換器拓撲，因為鎳氫電池和鋰離子電池的電池電壓一般大于 1.2V 和 3V。更多串聯電池時，可以使用如二極管整流器、降壓穩壓器或者LDO等其它轉換器。就熱電發電機而言，輸出電壓范圍為 10mV 到 500 mV。因此，使用熱電發電機 (TEG) 時，我們主要選擇增壓轉換器。串聯堆疊許多TEG來獲得更高的電壓是可能的，這樣便可以使用 LDO 或者降壓穩壓器。這種方案的缺點是存在較大的 TEG 堆棧串聯阻抗。

圖 2 (a-b)、太陽能電池板和熱電發電機模型

為了從太陽能電池板或者熱電發電機獲取最大功率，電池板或者 TEG 必須工作在其最大功率點。要理解能源采集器需在其最大功率點下工作的原因，請分別參見圖 2a 和圖 2b 所示太陽能電池板和 TEG 模型。可將太陽能電池板建模為一個反向偏置二極管，其提供寄生電容 (CHRV) 并聯電流。二極管的電流輸出與光照強度成比例關系。熱電發電機模型由一個與電阻器串聯的電壓源組成。電阻器模型和 TEG 內部阻抗取決于材料屬性和 TEG 的體積。使用典型太陽能電池板和 TEG 時，圖 3 和圖 4 分別顯示了電流對電壓和功率對電壓情況。您可以看到，就太陽能電池板而言，在約 80% 開路電壓 (OCV) 時得到最大功率。類似地，就 TEG 而言，在50% OCV 時獲得最大功率點。