Energiinnsamling er hovedsakelig sett på som en strømforsyningsmetode for strømforsyning til de elektroniske enhetene som må legges til strømforsyningen eller annet enn batteriet. I mange tilfeller har applikasjoner som bruker energisamlinger ofte ikke tilstrekkelig plass til å romme store volumer. Typiske eksempler inkluderer bærbare teknologier som treningsdingser og helseovervåkingsenheter, samt trådløse sensornoder som miljø- eller strukturovervåkingsapplikasjoner.
Vanligvis må energien som samles inn fra miljøenergikilder som solenergi, vibrasjoner eller temperaturforskjeller, utnyttes effektivt etter overgang, forsterkning og midlertidig lagring. I dag øker en rekke selskaper lansert av energiinnsamlingsappene og de integrerte kretsene for strømstyring i økende grad. Men trykket står overfor, for å sikre at disse enhetene er svært integrert for å lette multifunksjonsdrift, og størrelsen bør være så liten som mulig. Det er ingen tvil om at strømforbruket til selve utstyret er svært lavt.
Denne artikkelen vil skissere miniatyriseringsbehovene til markeder for raskt bærbart elektronisk utstyr og deres relaterte applikasjoner, og diskutere nylig BQ25570 boostlader med integrerte buck-omformere, og en rekke lignende alternativer og komplementære komponenter. Denne artikkelen vil referere til brukerveiledningen til TI, forklare hvordan du effektivt bruker enheten til å ultracense lav effekt, plass / vektgrense.
Flere funksjoner I dag er det mer og mer bærbare enheter som sporer treningsplanen for å overvåke helsestatus og gi helsetjenester og gi medisinske tjenester. Som de fleste bærbare enheter, vil denne trenden fremme økningen i utstyrsfunksjoner som forbrukerne forventer. Hvis GPS-enheten er integrert i pulsmåleren, spor registreringsringnummeret eller løperuten, vil pulsmåleren være mer foretrukket. For tiden kan moderne bærbart helseovervåkingsutstyr overvåke blodtrykk, kroppstemperatur, oksygeninnhold i blodet, hjertefrekvens og aktivitet.
Figur 1: Energiinnsamling vil være nøkkelteknologier i mange bruksområder for bærbare elektroniske enheter.
Til venstre: Sensorias smarte sokker, utstyrt med trykksensorer, kan kommunisere med fotringene via Bluetooth for å hjelpe med å identifisere og forbedre løpestillinger (hæl/fot). Andre sensorer kan spore rekorder, hastighet, kaloriforbruk, høyder og avstander.
Til høyre: Fraunhofer Institute R & D Det bærbare hjelpeutstyret for eldregruppen kan tilby en rekke programmerbare tjenester som å ta narkotikapåminnelser, helseovervåking og nødhjelpsanrop.
Trådløs tilkobling gjør det enkelt å overføre og lagre innsamlede data for senere analyse. Trådløse sensornettverk som en del av tingenes internett er essensielt i applikasjoner som intelligente bygninger og miljøovervåking, og data fra mange sensorer i disse applikasjonene må kompileres. På grunn av dette, integrerte sensorer, radiofrekvenskretser og mer presise mikrokontrollere i økende grad i smartklokke, biometrisk monitor, ID-tag-produkter, sensornoder og andre bærbare eller eksterne applikasjoner.
Imidlertid bør slike multifunksjonsenheter foretrekkes, bortsett fra rimelig batterilevetid, det krever også lav vekt, liten størrelse og komfort. Designere har brukt energiinnsamlingsteknikker for å effektivt utnytte miljøenergi som kroppsvarme eller fottrinn, slik at batteriet fortsetter å lade. I visse enheter (som implanterte enheter) er den innsamlede energien den eneste energikilden.
Derfor kan energiinnsamling ses på som en romlig praktisk teknologi som kan brukes alternativt til batteri, og kan oppnå et mindre volum oppladbart batteri. For enhver enhet som drives av batteriet eller energien som leveres, er strømstyring svært viktig. For å sikre optimal ytelse og høy effektivitet ved høyt strømforbruk, krever vanligvis uregelmessige strømforsyninger en viss nøyaktighet og presisjon. En rekke IC-produsenter har rettet seg mot dette markedet, inkludert Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics og Texas Instruments.
Sammenlignet med den gamle generasjonen kraft, er den nye generasjonen strømforsyninger høyere, volumet er mindre, og strømforbruket er lavere. I teorien vil enheten få den resulterende energien, og deretter konvertering og / eller boost, og til slutt levere den direkte til systemet eller den oppladbare energilagringsenheten. Noen design kan være dedikert til en type energilagringsenhet som en superkondensator eller en litiumionknapp. Det finnes også andre design som støtter flere energilagringsenheter. På samme måte kan noe design være dedikert til en form for energiinnsamling, og det er andre design som støtter flere former for energi.
Et fokus å merke seg er oppstartsspenningen som kreves for forskjellige applikasjoner. Noen applikasjoner startes til 20 mV, men funksjonaliteten kan være begrenset, og det kreves ytterligere komplementære komponenter for å gi tilstrekkelig strømstyring. Komponentene med høyere integrasjon kan ha en mindre størrelse, og den totale statiske strømmen er lavere, men en høyere startspenning kan være nødvendig for å gjøre den mer avhengig av det laveste nivået av lagringsenergi. Noen enheter er svært målrettede, dedikert til sensornoder med ultralav effekt. Andre enheter vil støtte høyere inngangsspenningsnivåer for å oppfylle kravene basert på mikrokontrollerutstyr, men for energiinnsamlingsapplikasjoner er disse mikroenhetene i seg selv svært lave.
Det er viktig at strømstyrings-ICen må være fleksibel nok til å håndtere intermitterende strøm og energien som samles inn (ofte ustabil, og samler ofte mengden). Dette må vurderes i systemdesignet, dvs. nok energilagringskapasitet, det er mulig å gi konstant strøm ved behov. Dette avhenger i stor grad av sensorens lesefrekvens, og overføringsmengden til dataene og overføringsfrekvensen.
Høy integrasjon Texas INSTRUMENTS tilbyr en rekke mikroenheter med ultralav effekt for energiinnsamlingsapplikasjoner, inkludert strømstyrings-ICer, trådløse tilkoblinger og mikrokontrollere. Selskapets nyeste BQ25570 er en høyintegrert energisamling av en femto-strømstyringsløsning. Den oppfyller alle standarder med energiinnsamlingsteknikker og alle standarder for strømbegrensede applikasjoner.
Enheten er kompakt og bruker en 3.5 x 3.5 mm QFN-pakke med 20 ledninger, statisk strøm med ultralav effekt er 488 NA (typisk verdi), og transportmodusen er. 1881.5 NA. I tillegg er det også en BQ25570EVM evalueringsmodul. For detaljert produkt- og bruksinformasjon, se utstyrsspesifikasjonen og brukerveiledningen for evalueringstavlen 2.
Enheten krever fortsatt en ekstern kondensator og motstand, men på grunn av høy integrasjon kan den minimere behovet for tilleggsutstyr. Apparatet er ideelt for trådløse sensornettverk med tøffe kraft- og driftskrav, og implementerer høyenergi-pulsfrekvensmodulasjon (PFM) boostlader og femto power buck-omformerløsninger. Se figur 2 nedenfor: Apparatet kan brukes sammen med en rekke høyimpedansenergi, inkludert fotovoltaisk (solenergi), termoelektrisk generator (TEG), og AC/DC likeretter og piezoelektriske generatorer. Fra kaldstarttilstand er enhetens minimumsspenning for DC/DC boost-omformer/lader 330 mV. Hypotesen er basert på: inngangsstrømforsyningen gir minst 5 μW (typisk), og lastomformerens utgang er mindre enn 1 μA lekkasjestrøm (inkludert lekkasjestrøm for lagringselementet). Imidlertid når boost-omformerens utgangsspenning 1.8 V etter kjøring, og 100 MV-spenningen som kreves for enheten, kan hentes fra energikilden.
Buck-omformeren hentes først fra boost-omformerens utgang for å oppnå inngangseffekt, og utfører deretter en nedtrappingsprosess, og gir til slutt en justeringsspenning for utgangspinnen. Bukk-omformeren bruker PFM-kontroll for å justere spenningen for å aktivere den nær verdien satt av den brukerprogrammerbare motstandsspenningsdeleren. Strømmen gjennom induktoren styres av den interne strømdeteksjonskretsen. Fra tidspunktet for leveringsmodus er tiden omtrent 100 ms, fra standby-modus starter raskere, men dette avhenger av størrelsen på utgangskondensatoren.
BQ25570 kan brukes med en rekke lagringsenheter, inkludert kondensatorer, superkondensatorer, litiumionbatterier og andre kjemiske batterier. Når systemet er i lavstrøms- eller hvilemodus, vil kollektoren gi tilstrekkelig elektrisk energi til å lade lagringselementet. Når energisamleren ikke fungerer, må batteriet eller kondensatoren ha tilstrekkelig strøm til å drive hele systembelastningen. En ekvivalent kondensator på 100 μF lagringselement er nødvendig for å filtrere pulsstrømmen til PFM-svitsjeladeren.
I følge TIs brukerveiledning er hovedforskjellen mellom batteri og superkondensator at det er få i batteriet, og enda mindre enn en viss mengde spenning, og det er en superkondensator. Systemdesignere må merke seg at det er en betydelig lekkasjestrøm, som tilsvarer en DC-belastning på boost-omformerens utgang.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) refererer til den kraftigste energien og styringen av solcellecellen (70 til 80 %) og TEG (50 %). Andre funksjoner som det batteridrevne utstyrets høyenergieffektivitetsstyring inkluderer: batterioverspenning og underspenningsbeskyttelse, automatisk termisk avstengning av det oppladbare litiumionbatteriet. Nøyaktig overvåking av batteristatus er en annen viktig funksjon. Hvis systemet kan gå inn i en underspenningstilstand, er det også nødvendig å utløse funksjonen for belastningsstrømfall.
Alternativt utstyr og tilleggsutstyr BQ25504- og BQ25505-funksjonene lansert av Ti er like, men hvilestrømmen er mindre enn 325 NA. Begge enhetene er utstyrt med en autonom flerbruks multiplekserportdriver, når den er startet, slik at systemet kan hente energi fra energioppsamlingskilder og primærbatterier, og sikre at konstant strøm leveres når det er nødvendig, selv når kollektoren ikke er tilgjengelig. også fungere skikkelig. Den ultralave statiske strømmen er svært viktig når systemet ikke kan slå seg av, slik at batteriets levetid kan forlenges.
Hvis størrelsen og vekten er problemer, anbefaler TI BQ25100, som er en lineær batterilader med lavere effekt, spesielt egnet for enkeltlitiumion-knapper. Enheten er innkapslet av 0.9 x 1.6 mm WCSP, støtter opptil 30 V inngangsspenning, slik at hurtigladestrømmen kan kontrolleres nøyaktig innenfor 10 mA til 250 mA.
Det komplementære utstyret TPS82740A og TPS8274B buck-omformermodulene støtter 200 mA utgangsstrøm, konverteringseffektiviteten er så høy som 95 %, den forbrukte hvilestrømmen er bare 360 NA, og 70 NA er 70 NA. Pakken på 6.7 mm2 inneholder en bryterregulator, en induktor og en I/O-kondensator. Ved å integrere alle nødvendige passive enheter, er volumet til enheten 75 % mindre enn den samme diskrete løsningen. TPS82740A er en ultralavspenningsapplikasjon, og TPS8274B har funksjonen "DCS Control", som er egnet for strømstyring, som Ti, for for eksempel Ti. MSP430-serien.
avslutningsvis For å velge en bærbar applikasjon av energiinnsamlingsteknologi, velg riktig strømstyrings-IC, må du nøye vurdere systemets strømbehov, energiproduksjonspotensial og energilagringskapasitet. Ved lave ender av strømområdet (som trådløse sensornoder), eller hvis energien som genereres av TEG er svært liten, er utvalget av enheten mer begrenset. Hvis liten størrelse og lett vekt er best prioritet, velg en høyere integrasjon, for eksempel flere av denne artikkelen, kanskje den beste løsningen.
Vår andre produkt:
