探索MAX20361：小型單/多電池太陽(yáng)能采集器的卓越性能

作為一名電子工程師，在設(shè)計(jì)項(xiàng)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(xì)介紹一款來(lái)自Analog Devices的優(yōu)秀產(chǎn)品——MAX20361，一款具備最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）和采集計(jì)數(shù)器功能的小型單/多電池太陽(yáng)能采集器。

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器件概述

MAX20361是一款高度集成的解決方案，專(zhuān)為從單/多電池太陽(yáng)能源中采集能量而設(shè)計(jì)。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(dòng)。為了最大程度地從源中提取功率，它采用了專(zhuān)有的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，可在15μW至超過(guò)300mW的可用輸入功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效能量采集。

同時(shí)，該器件還具備集成的充電和保護(hù)電路，該電路針對(duì)鋰離子電池進(jìn)行了優(yōu)化，但也可用于為超級(jí)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(guò)I2C接口進(jìn)行編程，還具備溫度關(guān)斷功能。

特性與優(yōu)勢(shì)

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(yáng)能電池的輸出。
• 高效能量采集：可在15μW至超過(guò)300mW的輸入功率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效采集，在(V{SYS}=3.8 V)、(I{SRC}=30 mA)的條件下，效率高達(dá)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(duì)空間要求較高的應(yīng)用。

MPPT技術(shù)

使用分?jǐn)?shù)開(kāi)路電壓（Fractional VOC）方法，可通過(guò)I2C接口對(duì)分?jǐn)?shù)VOC調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編程，確保在不同光照條件下都能快速準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)。

可編程功能

• 電池/超級(jí)電容器充電：可通過(guò)I2C接口對(duì)電池終止電壓進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)靈活的充電控制。
• 電源良好喚醒信號(hào)輸出閾值：可通過(guò)I2C接口對(duì)其進(jìn)行編程，方便系統(tǒng)根據(jù)不同的電源狀態(tài)進(jìn)行喚醒操作。

應(yīng)用領(lǐng)域

MAX20361的出色性能使其在多個(gè)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。
• 醫(yī)療設(shè)備：滿(mǎn)足醫(yī)療設(shè)備對(duì)能量采集和管理的嚴(yán)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(duì)傳統(tǒng)電池的依賴(lài)，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。
• 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)：為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供高效的能量采集，降低維護(hù)成本。

技術(shù)細(xì)節(jié)剖析

升壓轉(zhuǎn)換器

MAX20361的升壓轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可高效地從單/多電池太陽(yáng)能源中采集能量。其開(kāi)關(guān)頻率并非固定不變，而是會(huì)根據(jù)SRC電壓、SYS電壓和電感值進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)SRC電壓降至其調(diào)節(jié)點(diǎn)以下時(shí)，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(duì)穩(wěn)定性的影響并不關(guān)鍵。同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)SYS電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)達(dá)到調(diào)節(jié)點(diǎn)時(shí)，升壓操作將停止，以避免電池過(guò)充或SYS節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)壓情況。

采集計(jì)數(shù)器

該器件能夠在HarvCntH(0x0A)和HarvCntL(0x0B)寄存器中報(bào)告升壓轉(zhuǎn)換器在最后Tmeas5:4時(shí)間內(nèi)的開(kāi)關(guān)周期計(jì)數(shù)。這個(gè)“采集計(jì)數(shù)”與該時(shí)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(cè)、開(kāi)路電壓測(cè)量、SYS過(guò)壓檢測(cè)、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(shí)，HARrdy4位將被置位。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

在正常運(yùn)行期間，MAX20361會(huì)自動(dòng)測(cè)量開(kāi)路電壓，并計(jì)算出從太陽(yáng)能電池傳輸最大功率的最佳SRC電壓。每Tper1:0（默認(rèn)情況下為64 x Tmeas，Tmeas = 50ms，即每3.2s），或在I2C請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)部升壓將停止Tmeas5:4時(shí)間，然后使用內(nèi)部8位ADC測(cè)量SRC電壓。

SRC調(diào)節(jié)點(diǎn)通過(guò)將SRC處的測(cè)量電壓乘以Frac4:0字段來(lái)計(jì)算。上電時(shí)，MAX20361會(huì)根據(jù)Frac[4:0]的值和VOC[7:0]的默認(rèn)值來(lái)調(diào)節(jié)SRC電壓，直到進(jìn)行第一次VOC測(cè)量或?qū)OC[7:0]寄存器進(jìn)行I2C寫(xiě)入操作。

為了適應(yīng)SRC測(cè)量時(shí)間，如果ATmeas3位被置位，MAX20361將根據(jù)最后測(cè)量的“采集計(jì)數(shù)”（HarvCntH/L寄存器）來(lái)調(diào)整測(cè)量時(shí)間。當(dāng)ATper2位被置位時(shí)，器件會(huì)自動(dòng)調(diào)整測(cè)量周期。上電復(fù)位后，器件會(huì)忽略第一次采集計(jì)數(shù)結(jié)果，并將第二次結(jié)果存儲(chǔ)在HarvCntH和HarvCntL寄存器中。如果未來(lái)的采集計(jì)數(shù)與存儲(chǔ)的采集計(jì)數(shù)相差2倍以上，Tper定時(shí)器將復(fù)位，并立即強(qiáng)制進(jìn)行新的VOC測(cè)量。

低光照睡眠模式

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

WAKE輸出

除了在關(guān)機(jī)或睡眠模式下，MAX20361會(huì)監(jiān)測(cè)SYS輸出。當(dāng)SYS高于WAKE閾值至少7到8 x Tmeas（典型值）時(shí)間時(shí)，WAKE輸出將被置位（WAKEbSt位將被設(shè)置為0）。當(dāng)器件進(jìn)入睡眠或關(guān)機(jī)模式時(shí)，WAKE輸出將被強(qiáng)制拉低。

熱監(jiān)測(cè)

當(dāng)ThmEn3為1時(shí)，MAX20361會(huì)監(jiān)測(cè)THM上的電壓。如果FrcTHM6為1，則器件會(huì)進(jìn)行一次VTHM檢查；如果THMper6為1，則會(huì)每隔Tper1:0時(shí)間進(jìn)行一次周期性檢查。在檢查過(guò)程中，MAX20361會(huì)將REF驅(qū)動(dòng)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(huì)為T(mén)HM提供一個(gè)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(shí)，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(duì)應(yīng)于0°C和45°C。

器件還會(huì)在上電和EN下降沿進(jìn)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(jī)模式

當(dāng)EN引腳為高電平或DeviceEnb1為1時(shí)，器件將進(jìn)入關(guān)機(jī)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(cè)，WAKE輸出將被強(qiáng)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(jī)狀態(tài)下，只有(V{CC})上的上電復(fù)位（POR）是激活的，(VCC) - SYS開(kāi)關(guān)將保持?jǐn)嚅_(kāi)，直到(V{CC})高于POR閾值。當(dāng)EN為低電平且DeviceEnb為0時(shí)，器件將退出關(guān)機(jī)模式。

冷啟動(dòng)功能

MAX20361的冷啟動(dòng)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(dòng)。在冷啟動(dòng)時(shí)，器件最初會(huì)使用低功耗電荷泵從SRC上的電源（如太陽(yáng)能電池）為(VCC)充電，而此時(shí)SYS不會(huì)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(kāi)關(guān)將閉合，器件將由SYS供電，完成冷啟動(dòng)過(guò)程，進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。

源鉗位功能

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

應(yīng)用設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電感選擇

升壓調(diào)節(jié)器的正常運(yùn)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(biāo)稱(chēng)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(huì)導(dǎo)致效率損失、靜態(tài)電流增加，并降低能量采集過(guò)程的有效性。數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shí)會(huì)迅速失去有效電容，因此需要確保直流降解不會(huì)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(chǔ)來(lái)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(duì)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(gè)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(gè)與I2C兼容的接口，用于與主機(jī)控制器（SCL和SDA）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該接口支持高達(dá)400kHz的時(shí)鐘頻率。SCL和SDA需要連接到正電源的上拉電阻。在使用I2C寫(xiě)入MAX20361時(shí)，主機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)起始條件（S），然后是MAX20361的I2C地址。之后，主機(jī)會(huì)發(fā)送要編程的寄存器地址。最后，主機(jī)會(huì)通過(guò)發(fā)出停止條件（P）來(lái)結(jié)束通信，或者通過(guò)發(fā)出重復(fù)起始條件（Sr）來(lái)與另一個(gè)I2C從機(jī)進(jìn)行通信。

寄存器配置

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

• DeviceID (0x00)：用于讀取芯片的標(biāo)識(shí)和版本信息。
• Status (0x01)：包含多個(gè)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(cè)量周期。
• MpptCfg (0x06)：用于設(shè)置MPPT的分?jǐn)?shù)VOC調(diào)節(jié)點(diǎn)。
• MeasCfg (0x07)：用于配置測(cè)量時(shí)間和周期。

結(jié)語(yǔ)

MAX20361以其卓越的性能和豐富的功能，為單/多電池太陽(yáng)能采集應(yīng)用提供了一個(gè)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(hù)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(shí)際設(shè)計(jì)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(shì)。大家在使用MAX20361的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。