Na sběr energie se pohlíží především jako na způsob napájení pro napájení elektronických zařízení, která je třeba přidat k napájecímu zdroji nebo jiná než baterie. V mnoha případech aplikace využívající sběr energie často nemají dostatečný prostor pro uložení velkých objemů. Typické příklady zahrnují nositelné technologie, jako jsou fitness gadgety a zařízení pro sledování zdraví, stejně jako bezdrátové senzorové uzly, jako jsou aplikace pro monitorování stavu prostředí nebo struktury.
Energie shromážděná z environmentálních zdrojů energie, jako je sluneční energie, vibrace nebo teplotní rozdíly, musí být obvykle efektivně využita po přechodu, posílení a dočasném skladování. V současné době stále více roste počet společností spouštěných aplikacemi pro sběr energie a integrovanými obvody pro správu napájení. Ale čelí tlaku, aby bylo zajištěno, že tato zařízení jsou vysoce integrovaná pro usnadnění multifunkčního provozu a velikost by měla být co nejmenší. Není pochyb o tom, že spotřeba samotného zařízení je velmi nízká.
Tento článek nastíní potřeby miniaturizace trhů s rychle nositelnými elektronickými zařízeními a jejich souvisejícími aplikacemi a bude se zabývat nedávnou nabíječkou BQ25570 s integrovanými převodníky a řadou podobných alternativ a doplňkových komponent. Tento článek bude odkazovat na uživatelskou příručku TI, vysvětlí, jak efektivně používat zařízení k ultracenovému nízkému výkonu, prostorovému / hmotnostnímu limitu.
Více funkcí Dnes je stále více nositelných zařízení, která sledují fitness plán pro sledování zdravotního stavu a poskytování zdravotní péče a poskytování lékařských služeb. Jako většina přenosných zařízení bude tento trend podporovat nárůst funkcí zařízení, které spotřebitelé očekávají. Pokud je zařízení GPS integrováno do monitoru srdečního tepu, sledujte číslo záznamového kroužku nebo běžeckou trasu, bude monitor srdečního tepu preferován. V současné době mohou moderní nositelná zařízení pro sledování zdraví monitorovat krevní tlak, tělesnou teplotu, obsah kyslíku v krvi, srdeční frekvenci a aktivitu.
Obrázek 1: Sběr energie bude klíčovými technologiemi v mnoha aplikacích nositelných elektronických zařízení.
Vlevo: Chytré ponožky Sensoria, vybavené tlakovými senzory, mohou komunikovat s nožními kroužky přes Bluetooth, aby pomohly identifikovat a zlepšit polohu při běhu (pata / chodidlo). Další senzory mohou sledovat záznamy, rychlost, spotřebu kalorií, výšky a vzdálenosti.
Vpravo: Výzkum a vývoj Fraunhofer Institute Nositelné pomocné vybavení pro skupinu seniorů může poskytovat řadu programovatelných služeb, jako je například užívání drogových připomínek, sledování zdravotního stavu a tísňová volání.
Bezdrátové připojení usnadňuje přenos a ukládání shromážděných dat pro pozdější analýzu. Bezdrátové senzorové sítě jako součást internetu věcí jsou nezbytné v aplikacích, jako jsou inteligentní budovy a monitorování životního prostředí, a data z mnoha senzorů v těchto aplikacích musí být shromažďována. Z tohoto důvodu se do chytrých hodinek, biometrických monitorů, ID tagů, senzorových uzlů a dalších nositelných nebo vzdálených aplikací stále častěji integrují senzory, vysokofrekvenční obvody a přesnější mikrokontroléry.
Taková multifunkční zařízení by však měla být upřednostňována, kromě rozumné výdrže baterie vyžaduje také nízkou hmotnost, malé rozměry a pohodlí. Návrháři použili techniky sběru energie k efektivnímu využití energie z okolního prostředí, jako je tělesné teplo nebo kroky, aby se baterie nadále nabíjela. V určitých zařízeních (jako jsou implantovaná zařízení) je shromážděná energie jediným zdrojem energie.
Na sběr energie lze tedy pohlížet jako na prostorovou praktickou technologii, kterou lze použít jako alternativu k baterii a může dosáhnout menšího objemu dobíjecí baterie. Pro každé zařízení, které je napájeno baterií nebo dodávanou energií, je řízení spotřeby velmi důležité. Pro zajištění optimálního výkonu a vysoké účinnosti operací při vysoké spotřebě energie, obvykle nepravidelných napájecích zdrojích, je nutná určitá přesnost a přesnost. Na tento trh se zaměřila řada výrobců integrovaných obvodů, včetně Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics a Texas Instruments.
Ve srovnání se starou generací napájení je nová generace napájecích zdrojů vyšší, objem je menší a spotřeba energie je nižší. Teoreticky bude zařízení získávat výslednou energii a poté ji přeměnit a / nebo zvýšit a nakonec ji dodávat přímo do systému nebo dobíjecího zařízení pro ukládání energie. Některé návrhy mohou být vyhrazeny pro typ zařízení pro ukládání energie, jako je superkondenzátor nebo lithium-iontové tlačítko. Existují také další návrhy, které podporují více zařízení pro ukládání energie. Podobně mohou být některé návrhy věnovány určité formě shromažďování energie a existují jiné návrhy, které podporují různé formy energie.
Je třeba poznamenat, že spouštěcí napětí potřebné pro různé aplikace. Některé aplikace jsou spuštěny na 20 mV, ale funkčnost může být omezena a pro zajištění dostatečného řízení spotřeby jsou vyžadovány další doplňkové komponenty. Komponenty s vyšší integrací mohou mít menší velikost a celkový statický proud je nižší, ale může být vyžadováno vyšší spouštěcí napětí, aby bylo více závislé na nejnižší úrovni akumulační energie. Některá zařízení jsou velmi cílená, věnovaná uzlům senzorů s extrémně nízkou spotřebou. Jiná zařízení budou podporovat vyšší úrovně vstupního napětí, aby splňovaly požadavky založené na vybavení mikrořadičů, ale pro aplikace sběru energie jsou tato mikrozařízení sama o sobě velmi nízká.
Je důležité, aby IC správy napájení bylo dostatečně flexibilní, aby zvládlo přerušované napájení a shromážděnou energii (často nestabilní a často shromažďující množství). S tím je třeba počítat již při návrhu systému, tj. dostatečná kapacita akumulace energie, je možné zajistit stálou elektřinu v případě potřeby. To závisí do značné míry na čtecí frekvenci snímače a přenášeném množství dat a přenosové frekvenci.
Společnost Texas INSTRUMENTS s vysokou integrací nabízí řadu mikrozařízení s velmi nízkou spotřebou energie pro aplikace shromažďování energie, včetně integrovaných obvodů řízení spotřeby, bezdrátových připojení a mikrokontrolérů. Nejnovější BQ25570 společnosti je vysoce integrovaná sbírka energie femto řešení správy napájení. Splňuje všechny normy pro techniky sběru energie a všechny normy pro aplikace s omezeným napájením.
Zařízení je kompaktní, používá balíček 3.5 x 3.5 mm QFN s 20 vodiči, statický proud s ultranízkým výkonem je 488 NA (typická hodnota) a režim přepravy ano. 1881.5 NA. Kromě toho je zde také vyhodnocovací modul BQ25570EVM. Podrobné informace o produktech a aplikacích najdete v uživatelské příručce specifikace zařízení a vyhodnocovací desky 2.
Zařízení stále vyžaduje externí kondenzátor a rezistor, ale díky vysoké integraci může minimalizovat potřebu dalšího vybavení. Přístroj je ideální pro bezdrátové senzorové sítě s náročnými požadavky na napájení a provoz, implementuje řešení s vysokoenergetickou pulzní frekvenční modulací (PFM) boost charger a femto power buck konvertorem. Viz obrázek 2 níže: Přístroj lze použít ve spojení s různými vysokoimpedančními zdroji energie, včetně fotovoltaických (solárních), termoelektrických generátorů (TEG) a AC/DC usměrňovačů a piezoelektrických generátorů. Ze stavu studeného startu je minimální napětí DC / DC boost konvertoru / nabíječky zařízení 330 mV. Jeho hypotéza je založena na: vstupní napájecí zdroj poskytuje minimálně 5 μW (typické) a výstup zátěžového měniče je menší než 1 μA svodový proud (včetně svodového proudu akumulačního prvku). Výstupní napětí zesilovacího měniče však po běhu dosáhne 1.8 V a napětí 100 MV potřebné pro zařízení lze získat ze zdroje sběru energie.
Snižovací převodník se nejprve získá z výstupu zesilovacího převodníku, aby se získal vstupní výkon, a poté provede proces snižování a nakonec poskytuje nastavovací napětí pro výstupní kolík. Převodník dolaru používá řízení PFM k úpravě napětí tak, aby se přiblížilo hodnotě nastavené uživatelem programovatelným odporovým děličem napětí. Proud přes induktor je řízen vnitřním obvodem detekce proudu. Z režimu dodání je čas cca 100 ms, z pohotovostního režimu nabíhá rychleji, ale záleží na velikosti výstupního kondenzátoru.
BQ25570 lze použít s řadou úložných zařízení, včetně kondenzátorů, superkondenzátorů, lithium-iontových baterií a dalších chemických baterií. Když je systém v režimu nízké spotřeby nebo spánku, kolektor poskytne dostatek elektrické energie k nabití akumulačního prvku. Když sběrač energie nefunguje, baterie nebo kondenzátor musí mít dostatečný výkon pro napájení celé zátěže systému. K filtrování pulzního proudu spínací nabíječky PFM je zapotřebí ekvivalentní kondenzátor 100 μF.
Podle uživatelské příručky TI je hlavní rozdíl mezi baterií a superkondenzátorem v tom, že je jich v baterii málo a ještě menší než určité množství napětí a je tam superkondenzátor. Návrháři systému si musí uvědomit, že existuje významný svodový proud, který odpovídá stejnosměrnému zatížení na výstupu zesilovacího měniče.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) označuje nejvýkonnější energii a řízení fotovoltaického článku (70 až 80 %) a TEG (50 %). Mezi další funkce, které bateriově napájené zařízení řízení vysoké energetické účinnosti patří: přepěťová a podpěťová ochrana baterie, automatické tepelné vypnutí dobíjecí lithium-iontové baterie. Další důležitou funkcí je přesné sledování stavu baterie. Pokud se systém může dostat do stavu podpětí, je také nutné spustit funkci poklesu zátěžového proudu.
Alternativní vybavení a doplňkové vybavení Funkce BQ25504 a BQ25505 spuštěné Ti jsou podobné, ale klidový proud je menší než 325 NA. Obě zařízení jsou po spuštění vybavena autonomním napájecím víceúčelovým multiplexorovým hradlovým ovladačem, který umožňuje systému získávat energii ze zdrojů sběru energie a primárních baterií, což zajišťuje, že v případě potřeby je zajištěno konstantní napájení, i když kolektor není k dispozici. také správně fungovat. Ultranízký statický proud je velmi důležitý, když se systém nemůže vypnout, aby se prodloužila životnost baterie.
Pokud je problém s velikostí a hmotností, TI doporučuje BQ25100, což je lineární nabíječka baterií s nižším výkonem, zvláště vhodná pro jednoduchá lithium-iontová tlačítka. Zařízení je zapouzdřeno 0.9 x 1.6 mm WCSP, podporuje vstupní napětí až 30 V, což umožňuje přesné řízení rychlonabíjecího proudu v rozsahu 10 mA až 250 mA.
Doplňkové vybavení moduly převodníku TPS82740A a TPS8274B podporuje výstupní proud 200 mA, účinnost konverze je až 95 %, spotřebovaný klidový proud je pouze 360 NA a 70 NA je 70 NA. Balení 6.7 mm2 obsahuje spínací regulátor, induktor a I/O kondenzátor. Díky integraci všech nezbytných pasivních zařízení je objem zařízení o 75 % menší než u stejného diskrétního řešení. TPS82740A je aplikace s ultranízkým napětím a TPS8274B má funkci „DCS Control“, která je vhodná pro správu napájení, jako je Ti, například Ti. Řada MSP430.
na závěr Chcete-li vybrat přenosnou aplikaci technologie sběru energie, vybrat vhodný IC pro řízení spotřeby, musíte pečlivě zvážit požadavky na napájení systému, potenciál výroby energie a kapacitu pro skladování energie. Na nízkých koncích výkonového rozsahu (jako jsou bezdrátové senzorové uzly) nebo pokud je energie generovaná TEG velmi malá, je výběr zařízení omezenější. Pokud jsou malé rozměry a nízká hmotnost nejlepší prioritou, vyberte vyšší integraci, jako je několik z tohoto článku, možná nejlepší řešení.
Náš další produkt:
