Az energiagyűjtést főként az olyan elektronikus eszközök tápellátására szolgáló tápellátási módszernek tekintik, amelyeket a tápegységhez vagy az akkumulátortól eltérően kell hozzáadni. Sok esetben az energiagyűjtést használó alkalmazásoknak gyakran nincs elegendő helyük nagy mennyiségek befogadására. Tipikus példák közé tartoznak a hordható technológiák, például a fitnesz modulok és az egészségfigyelő eszközök, valamint a vezeték nélküli érzékelő csomópontok, például a környezeti vagy szerkezeti állapotfigyelő alkalmazások.
Jellemzően a környezeti energiaforrásokból, például napenergiából, rezgésből vagy hőmérséklet-különbségekből összegyűjtött energiát hatékonyan kell hasznosítani az átállás, a feljavítás és az átmeneti tárolás után. Napjainkban az energiagyűjtő alkalmazások és az energiagazdálkodási integrált áramkörök által elindított vállalatok száma egyre növekszik. De a nyomás nehezedik annak biztosítására, hogy ezek az eszközök szorosan integrálva legyenek a többfunkciós működés megkönnyítése érdekében, és a méretük a lehető legkisebb legyen. Kétségtelen, hogy magának a berendezésnek az energiafogyasztása nagyon alacsony.
Ez a cikk felvázolja a gyorsan hordható elektronikai berendezések piacának miniatürizálási igényeit és a kapcsolódó alkalmazásaikat, és a közelmúltban tárgyalja a BQ25570 gyorstöltőt integrált buck konverterekkel, valamint egy sor hasonló alternatívát és kiegészítő komponenst. Ez a cikk hivatkozik a felhasználói kézikönyv TI, elmagyarázza, hogyan kell hatékonyan használni a készüléket ultracen alacsony fogyasztású, hely / súly határ.
További funkciók Manapság egyre több hordható eszköz követi nyomon a fitnesztervet, hogy figyelemmel kísérje az egészségi állapotot, egészségügyi feltételeket biztosítson és egészségügyi szolgáltatásokat nyújtson. A legtöbb hordozható eszközhöz hasonlóan ez a tendencia elősegíti a berendezések funkcióinak növekedését a fogyasztók által elvárt módon. Ha a GPS-készülék be van építve a pulzusmérőbe, nyomon követi a rögzítőgyűrű számát vagy a futási útvonalat, akkor a pulzusmérőt részesítik előnyben. Jelenleg modern, hordható egészségfigyelő berendezésekkel ellenőrizhető a vérnyomás, a testhőmérséklet, a vér oxigéntartalma, a pulzusszám és az aktivitás.
1. ábra: Az energiagyűjtés kulcsfontosságú technológia lesz számos hordható elektronikus eszköz alkalmazásában.
Balra: A Sensoria nyomásérzékelőkkel felszerelt intelligens zoknii Bluetooth-on keresztül tudnak kommunikálni a lábgyűrűkkel, hogy segítsenek azonosítani és javítani a futóállásokat (sarok/láb). Más érzékelők nyomon követhetik a rekordokat, a sebességet, a kalóriák fogyasztását, a magasságot és a távolságot.
Jobb oldalon: Fraunhofer Institute K+F Az idősek csoportjának hordható segédeszközei számos programozható szolgáltatást nyújtanak, mint például a kábítószer-emlékeztetők felvétele, az egészségügyi megfigyelés és a segélyhívások.
A vezeték nélküli kapcsolat megkönnyíti az összegyűjtött adatok átvitelét és tárolását későbbi elemzés céljából. A vezeték nélküli szenzorhálózatok a dolgok internetének részeként alapvető fontosságúak az olyan alkalmazásokban, mint az intelligens épületek és a környezetfigyelés, és ezekben az alkalmazásokban sok érzékelő adatait össze kell állítani. Emiatt az integrált érzékelők, rádiófrekvenciás áramkörök és precízebb mikrokontrollerek egyre inkább az okosórákban, a biometrikus monitorokban, az azonosítócímkés termékekben, az érzékelő csomópontokban és más hordható vagy távoli alkalmazásokban.
Az ilyen többfunkciós eszközöket azonban előnyben kell részesíteni, kivéve az ésszerű akkumulátor-élettartamot, ehhez még könnyű, kis méret és kényelem szükséges. A tervezők energiagyűjtési technikákat alkalmaztak a környezeti energia – például a testhő vagy a lépések – hatékony felhasználására, így az akkumulátor folyamatosan töltődik. Bizonyos eszközökben (például beültetett eszközökben) az összegyűjtött energia az egyetlen energiaforrás.
Ezért az energiagyűjtés egy olyan térbeli gyakorlati technológiának tekinthető, amely az akkumulátor alternatívájaként használható, és kisebb mennyiségű újratölthető akkumulátort képes elérni. Minden olyan eszköz esetében, amely akkumulátorról vagy a szolgáltatott energiáról működik, az energiagazdálkodás nagyon fontos. Az optimális teljesítmény és a nagy hatékonyságú műveletek nagy energiafogyasztással, általában szabálytalan tápegységekkel történő biztosításához bizonyos pontosság és precizitás szükséges. Számos IC-gyártó megcélozta ezt a piacot, köztük az Advanced Linear Devices, a Cymbet, a Linear Technology, a Maxim Integrated, a Spansion, az StMicroelectronics és a Texas Instruments.
A régi áramgenerációhoz képest az új generációs tápegységek magasabbak, kisebb a mennyiség, és alacsonyabb az energiafogyasztás. Elméletileg a készülék megkapja a kapott energiát, majd átalakítást és/vagy boostot, végül pedig közvetlenül a rendszerbe vagy az újratölthető energiatárolóba juttatja. Egyes kialakítások bizonyos típusú energiatároló eszközökhöz, például szuperkondenzátorokhoz vagy lítium-ion gombokhoz használhatók. Vannak más kivitelek is, amelyek több energiatároló eszközt támogatnak. Hasonlóképpen, egyes terveket az energiagyűjtés egy formájának szentelhetnek, és vannak olyan tervek, amelyek többféle energiaformát támogatnak.
Érdemes megjegyezni a különböző alkalmazásokhoz szükséges indítási feszültséget. Egyes alkalmazások 20 mV-ra indulnak, de a funkcionalitás korlátozott lehet, és további kiegészítő alkatrészekre van szükség a megfelelő energiagazdálkodás biztosításához. A nagyobb integráltságú alkatrészek kisebb méretűek lehetnek, és a teljes statikus áram is kisebb, de magasabb indítófeszültségre lehet szükség, hogy jobban függjön a tároló energia legalacsonyabb szintjétől. Egyes eszközök nagyon célzottak, és kifejezetten alacsony fogyasztású érzékelőcsomópontokhoz vannak kikötve. Más eszközök támogatni fogják a magasabb bemeneti feszültségszinteket, hogy megfeleljenek a mikrokontrolleres berendezéseken alapuló követelményeknek, de az energiagyűjtési alkalmazásokhoz ezek a mikroeszközök maguk nagyon alacsonyak.
Fontos, hogy az energiagazdálkodási IC-nek kellően rugalmasnak kell lennie ahhoz, hogy kezelje az időszakos áramellátást és az összegyűjtött energiát (gyakran instabil, és gyakran összegyűjti a mennyiséget). Ezt figyelembe kell venni a rendszer kialakításánál, azaz elegendő energiatároló kapacitással, szükség esetén állandó áramellátást lehet biztosítani. Ez nagymértékben függ az érzékelő olvasási frekvenciájától, valamint az adatátvitel mennyiségétől és az átviteli frekvenciától.
A nagy integrációjú Texas INSTRUMENTS számos rendkívül alacsony fogyasztású mikroeszközt kínál energiagyűjtési alkalmazásokhoz, beleértve az energiagazdálkodási IC-ket, a vezeték nélküli kapcsolatokat és a mikrokontrollereket. A cég legújabb BQ25570-je egy femto energiagazdálkodási megoldás magasan integrált energiagyűjteménye. Megfelel minden energiagyűjtési technikára vonatkozó szabványnak és minden, a korlátozott teljesítményű alkalmazásokra vonatkozó szabványnak.
A készülék kompakt, 3.5 x 3.5 mm-es, 20 vezetékből álló QFN-csomagot használ, az ultrakis teljesítményű statikus áram 488 NA (tipikus érték), a szállítási mód pedig igen. 1881.5 NA. Ezen kívül van még egy BQ25570EVM kiértékelő modul is. A termékekre és az alkalmazásra vonatkozó részletes információkért tekintse meg a berendezés specifikációját és az értékelő tábla felhasználói kézikönyvét 2.
A készülék továbbra is igényel külső kondenzátort és ellenállást, de a magas integráció miatt minimálisra csökkentheti a további berendezések szükségességét. A készülék ideális vezeték nélküli szenzorhálózatokhoz, szigorú teljesítmény- és működési követelményekkel, nagy energiájú impulzusfrekvencia-modulációs (PFM) boost töltő és femto power buck konverter megoldásokat valósítva meg. Lásd az alábbi 2. ábrát: A készülék számos nagy impedanciájú energiával együtt használható, beleértve a fotovoltaikus (szoláris), termoelektromos generátort (TEG), valamint AC/DC egyenirányítót és piezoelektromos generátort. Hidegindítási állapotból a készülék DC / DC boost konverterének / töltőjének minimális feszültsége 330 mV. Hipotézise a következőkön alapul: a bemeneti tápegység legalább 5 μW (tipikus) teljesítményt biztosít, és a terhelésátalakító kimenete kisebb, mint 1 μA szivárgási áram (beleértve a tárolóelem szivárgási áramát is). A boost konverter kimeneti feszültsége azonban futás után eléri az 1.8 V-ot, az eszközhöz szükséges 100 MV-os feszültség az energiagyűjtő forrásból nyerhető.
A buck-átalakítót először a boost konverter kimenetéből nyerik ki, hogy bemeneti teljesítményt kapjanak, majd végrehajt egy csökkentési folyamatot, és végül állítja be a feszültséget a kimeneti érintkezőhöz. A buck konverter PFM vezérlést használ a feszültség beállításához, hogy az megközelítse a felhasználó által programozható ellenállás feszültségosztója által beállított értéket. Az induktoron áthaladó áramot a belső áramérzékelő áramkör szabályozza. Szállítási módtól kezdve kb 100 ms az idő, készenléti módból gyorsabban indul, de ez a kimeneti kondenzátor méretétől függ.
A BQ25570 számos tárolóeszközzel használható, beleértve a kondenzátorokat, szuperkondenzátorokat, lítium-ion akkumulátorokat és más vegyi akkumulátorokat. Amikor a rendszer alacsony fogyasztású vagy alvó üzemmódban van, a kollektor elegendő elektromos energiát biztosít a tárolóelem feltöltéséhez. Amikor az energiagyűjtő nem működik, az akkumulátornak vagy a kondenzátornak elegendő energiával kell rendelkeznie a teljes rendszerterhelés táplálásához. A PFM kapcsolótöltő impulzusáramának szűréséhez egy ekvivalens kondenzátoros 100 μF tárolóelem szükséges.
A TI használati útmutatója szerint a fő különbség az akkumulátor és a szuperkondenzátor között az, hogy kevés van az akkumulátorban, sőt egy bizonyos feszültségnél is kevesebb, és van szuperkondenzátor. A rendszertervezőknek meg kell jegyezniük, hogy jelentős szivárgási áram van, ami egyenértékű egyenáramú terheléssel a boost konverter kimenetén.
A Maximum Power Point Tracking (MPPT) a fotovoltaikus cella (70-80%) és a TEG (50%) legerősebb energiájára és kezelésére utal. Egyéb funkciók, amelyeket az akkumulátoros berendezés nagy energiahatékonyságú menedzsmentje tartalmaz: akkumulátor túlfeszültség- és feszültségcsökkenés elleni védelem, az újratölthető lítium-ion akkumulátor automatikus hőlekapcsolása. Egy másik fontos funkció az akkumulátor állapotának pontos nyomon követése. Ha a rendszer feszültségcsökkenési állapotba kerülhet, akkor a terhelési áramesés funkciót is aktiválni kell.
Alternatív berendezések és kiegészítő berendezések A Ti által elindított BQ25504 és BQ25505 funkciók hasonlóak, de a nyugalmi áram kisebb, mint 325 NA. Mindkét készülék fel van szerelve egy autonóm, többcélú, többcélú multiplexer kapumeghajtóval, amely az indítást követően lehetővé teszi a rendszer számára, hogy energiát nyerjen az energiagyűjtő forrásokból és a primer akkumulátorokból, biztosítva, hogy szükség esetén állandó tápellátást biztosítson, még akkor is, ha a kollektor nem áll rendelkezésre. is megfelelően működnek. Az ultraalacsony statikus áram nagyon fontos, ha a rendszer nem tud kikapcsolni, így az akkumulátor élettartama meghosszabbítható.
Ha a méret és a súly problémát okoz, a TI a BQ25100-at ajánlja, amely egy kisebb teljesítményű lineáris akkumulátortöltő, különösen alkalmas egy lítium-ion gombokhoz. A készüléket 0.9 x 1.6 mm-es WCSP tokozza be, akár 30 V-os bemeneti feszültséget is támogat, így a gyorstöltő áram pontosan 10 mA és 250 mA között szabályozható.
A kiegészítő berendezések TPS82740A és TPS8274B buck konverter modulok 200 mA kimeneti áramot támogatnak, az átalakítási hatásfok eléri a 95%-ot, a nyugalmi áramfelvétel mindössze 360 NA, a 70 NA pedig 70 NA. A 6.7 mm2-es csomag tartalmaz egy kapcsolószabályzót, egy induktort és egy I/O kondenzátort. Az összes szükséges passzív eszköz integrálásával a készülék térfogata 75%-kal kisebb, mint az azonos diszkrét megoldás. A TPS82740A egy ultraalacsony feszültségű alkalmazás, a TPS8274B pedig rendelkezik a "DCS Control" funkcióval, amely alkalmas energiagazdálkodásra, például Ti, például Ti. MSP430 sorozat.
Összegzésként Az energiagyűjtési technológia hordozható alkalmazásának kiválasztásához, válassza ki a megfelelő energiagazdálkodási IC-t, gondosan mérlegelnie kell a rendszer energiaszükségletét, az energiatermelési potenciált és az energiatároló kapacitást. A teljesítménytartomány alsó határain (például vezeték nélküli érzékelő csomópontok), vagy ha a TEG által termelt energia nagyon kicsi, az eszköz kiválasztása korlátozottabb. Ha a kis méret és a könnyű súly a legjobb prioritás, akkor válasszon egy magasabb szintű integrációt, például a cikk több részét, ami talán a legjobb megoldás.
Másik termék:
