Energia kogumist vaadeldakse peamiselt toiteallikana elektroonikaseadmete toiteallikaks, mis tuleb lisada toiteallikale või peale aku. Paljudel juhtudel ei ole energiakogumist kasutavatel rakendustel sageli piisavalt ruumi suurte mahtude mahutamiseks. Tüüpilisteks näideteks on kantavad tehnoloogiad, nagu treeningvidinad ja terviseseireseadmed, aga ka juhtmevabad andurisõlmed, nagu keskkonna- või struktuuriseisundi jälgimise rakendused.
Tavaliselt tuleb keskkonna energiaallikatest, nagu päikeseenergia, vibratsioon või temperatuurierinevused, kogutud energia pärast üleminekut, võimendust ja ajutist ladustamist tõhusalt ära kasutada. Tänapäeval kasvab energia kogumise rakenduste ja toitehalduse integraallülitustega turule toonud ettevõtete arv üha enam. Kuid surve on silmitsi, tagamaks, et need seadmed on multifunktsionaalse töö hõlbustamiseks väga integreeritud, ja suurus peaks olema võimalikult väike. Pole kahtlust, et seadmete enda voolutarve on väga madal.
Selles artiklis kirjeldatakse kiiresti kantavate elektroonikaseadmete turgude miniaturiseerimisvajadusi ja nendega seotud rakendusi ning käsitletakse hiljuti integreeritud buck-muunduriga BQ25570 võimenduslaadijat ning mitmeid sarnaseid alternatiive ja täiendavaid komponente. See artikkel viitab TI kasutusjuhendile, selgitab, kuidas seadet tõhusalt kasutada väikese võimsuse, ruumi / kaalupiirangu jaoks.
Rohkem funktsioone Tänapäeval jälgivad üha enam kantavaid seadmeid treeningplaani, et jälgida tervislikku seisundit ja pakkuda tervishoiutingimusi ning osutada meditsiiniteenuseid. Nagu enamik kaasaskantavaid seadmeid, soodustab see suundumus seadmete funktsioonide kasvu, mida tarbijad ootavad. Kui GPS-seade on integreeritud pulsikellasse, jälgige salvestusrõnga numbrit või jooksumarsruuti, eelistatakse rohkem pulsikella. Praegu saavad kaasaegsed kantavad terviseseireseadmed jälgida vererõhku, kehatemperatuuri, vere hapnikusisaldust, pulssi ja aktiivsust.
Joonis 1: Energia kogumine on võtmetehnoloogia paljudes kantavate elektroonikaseadmete rakendustes.
Vasakul: Sensoria nutikad sokid, mis on varustatud rõhuanduritega, saavad Bluetoothi kaudu suhelda jalarõngastega, et aidata tuvastada ja parandada jooksuasendeid (kand/jalg). Teised andurid saavad jälgida rekordeid, kiirust, tarbitud kaloreid, kõrgust ja vahemaad.
Paremal: Fraunhoferi instituudi teadus- ja arendustegevus Eakate grupile mõeldud kantavad abiseadmed võivad pakkuda mitmeid programmeeritavaid teenuseid, nagu uimastite meeldetuletus, tervise jälgimine ja hädaabikõned.
Traadita ühendus muudab kogutud andmete edastamise ja salvestamise hilisemaks analüüsiks lihtsaks. Juhtmevabad andurite võrgud osana asjade Internetist on hädavajalikud sellistes rakendustes nagu intelligentsed hooned ja keskkonnaseire ning paljude nende rakenduste andurite andmed tuleb koostada. Seetõttu on nutikellades, biomeetrilistes monitorides, ID-märgiste toodetes, andurisõlmedes ja muudes kantavates või kaugrakendustes üha enam integreeritud andureid, raadiosagedusahelaid ja täpsemaid mikrokontrollereid.
Selliseid multifunktsionaalseid seadmeid tuleks aga eelistada, välja arvatud mõistlik aku kestvus, see nõuab ka kerget kaalu, väiksust ja mugavust. Disainerid on kasutanud energia kogumise tehnikaid, et kasutada tõhusalt ära keskkonnaenergiat, näiteks kehasoojust või samme, et aku saaks jätkuvalt laadida. Teatud seadmetes (näiteks implanteeritud seadmed) on kogutud energia ainus energiaallikas.
Seetõttu võib energia kogumist vaadelda kui ruumilist praktilist tehnoloogiat, mida saab kasutada aku alternatiivina ja millega on võimalik saavutada väiksemat aku mahtu. Iga seadme puhul, mis töötab akust või tarnitavast energiast, on toitehaldus väga oluline. Optimaalse jõudluse ja suure tõhususega toimingute tagamiseks suure energiatarbimisega, tavaliselt ebaregulaarsete toiteallikatega, on vaja teatud täpsust ja täpsust. Sellele turule on sihikule võtnud mitmed IC-tootjad, sealhulgas Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics ja Texas Instruments.
Võrreldes vana põlvkonna toiteallikaga on uue põlvkonna toiteallikad suurem, maht väiksem ja energiatarve väiksem. Teoreetiliselt saab seade saadud energia ja seejärel muundamise ja/või võimenduse ning lõpuks varustab selle otse süsteemi või laetavasse energiasalvestusseadmesse. Mõned kujundused võivad olla pühendatud teatud tüüpi energiasalvestusseadmetele, näiteks superkondensaatorile või liitiumioonnupule. On ka teisi konstruktsioone, mis toetavad mitut energiasalvestusseadet. Samamoodi võib mõni kujundus olla pühendatud energia kogumise vormile ja on ka teisi kujundusi, mis toetavad mitut energiavormi.
Tähelepanuväärne on erinevate rakenduste jaoks vajalik käivituspinge. Mõned rakendused käivitatakse 20 mV-ni, kuid funktsionaalsus võib olla piiratud ja piisava toitehalduse tagamiseks on vaja täiendavaid täiendavaid komponente. Suurema integratsiooniga komponendid võivad olla väiksema suurusega ja üldine staatiline vool madalam, kuid võib olla vaja kõrgemat käivituspinget, et muuta see rohkem sõltuvaks salvestusenergia madalaimast tasemest. Mõned seadmed on väga sihipärased, mõeldud ülimadala võimsusega andurisõlmedele. Teised seadmed toetavad kõrgemaid sisendpinge tasemeid, et täita mikrokontrolleri seadmetel põhinevaid nõudeid, kuid energia kogumise rakenduste jaoks on need mikroseadmed ise väga madalad.
On oluline, et toitehalduse IC peab olema piisavalt paindlik, et käidelda vahelduvat võimsust ja kogutud energiat (sageli ebastabiilne ja kogub sageli kogust). Seda tuleb süsteemi projekteerimisel arvestada ehk piisava energiasalvestusvõimega, vajadusel on võimalik anda pidevat elektrit. See sõltub suurel määral anduri lugemissagedusest ning andmete edastamise mahust ja edastussagedusest.
Suure integratsiooniga Texas INSTRUMENTS pakub energia kogumise rakenduste jaoks mitmesuguseid ülimadala võimsusega mikroseadmeid, sealhulgas toitehalduse IC-sid, juhtmeta ühendusi ja mikrokontrollereid. Ettevõtte uusim BQ25570 on femto toitehalduslahenduse kõrge integreeritud energiakogum. See vastab kõigile energia kogumise tehnikatele ja kõigile piiratud võimsusega rakenduste standarditele.
Seade on kompaktne, kasutab 3.5 juhtmest koosnevat 3.5 x 20 mm QFN-paketti, ülimadala võimsusega staatiline vool on 488 NA (tavaline väärtus) ja transpordirežiim on. 1881.5 NA. Lisaks on olemas ka BQ25570EVM hindamismoodul. Üksikasjaliku teabe saamiseks toodete ja rakenduste kohta vaadake seadme spetsifikatsiooni ja hindamispaneeli kasutusjuhendit 2.
Seade vajab endiselt välist kondensaatorit ja takistit, kuid tänu suurele integratsioonile võib see minimeerida lisaseadmete vajaduse. Seade sobib ideaalselt traadita andurite võrkudesse, millel on karmid toite- ja töönõuded, rakendades suure energiaga impulsssagedusmodulatsiooni (PFM) võimenduslaadija ja femto-võimsusmuunduri lahendusi. Vaadake allolevat joonist 2: Seadet saab kasutada koos mitmesuguste suure takistusega energiaga, sealhulgas fotogalvaanilise (päikeseenergia), termoelektrilise generaatori (TEG) ning vahelduv-/alalisvoolualaldi ja piesoelektriliste generaatoritega. Alates külmkäivituse olekust on seadme DC/DC võimendusmuunduri/laadija minimaalne pinge minimaalne 330 mV. Selle hüpotees põhineb: sisendtoiteallikas annab vähemalt 5 μW (tüüpiline) ja koormusmuunduri väljund on alla 1 μA lekkevoolu (kaasa arvatud salvestuselemendi lekkevool). Võimemuunduri väljundpinge ulatub aga peale töötamist 1.8 V-ni ning seadmele vajaliku 100 MV pinge saab kätte energiakogumisallikast.
Buck-muundur saadakse esmalt võimendusmuunduri väljundist, et saada sisendvõimsust, ja seejärel teostab see astmelise protsessi ja lõpuks annab väljundviigule reguleerimispinge. Buck-muundur kasutab pinge reguleerimiseks PFM-juhtimist, et see oleks kasutaja programmeeritava takisti pingejaguri seatud väärtuse lähedal. Induktiivpooli läbivat voolu juhib sisemine voolutuvastusahel. Tarnerežiimist alates on aeg umbes 100 ms, ooterežiimist käivitub kiiremini, kuid see sõltub väljundkondensaatori suurusest.
BQ25570 saab kasutada mitmesuguste salvestusseadmetega, sealhulgas kondensaatorite, superkondensaatorite, liitiumioonakude ja muude keemiliste akudega. Kui süsteem on väikese võimsusega või puhkerežiimis, annab kollektor piisavalt elektrienergiat salvestuselemendi laadimiseks. Kui energiakollektor ei tööta, peab akul või kondensaatoril olema piisavalt võimsust kogu süsteemi koormuse toiteks. PFM-i lülituslaadija impulssvoolu filtreerimiseks on vaja samaväärset kondensaatorit 100 μF.
Peamine erinevus aku ja superkondensaatori vahel on TI kasutusjuhendi järgi see, et akus on vähe ja isegi alla teatud pinge ning superkondensaator on olemas. Süsteemi projekteerijad peavad arvestama, et võimendusmuunduri väljundis on märkimisväärne lekkevool, mis võrdub alalisvoolu koormusega.
Maksimaalse võimsuspunkti jälgimine (MPPT) viitab fotogalvaanilise elemendi (70–80%) ja TEG (50%) võimsaimale energiale ja juhtimisele. Muud funktsioonid, mida akutoitega seadmete kõrge energiatõhususjuhtimine hõlmab: aku üle- ja alapingekaitset, laetava liitiumioonaku automaatset termilist väljalülitamist. Teine oluline funktsioon on aku oleku täpne jälgimine. Kui süsteem võib minna alapinge olekusse, on vaja käivitada ka koormusvoolu languse funktsioon.
Alternatiivsed seadmed ja lisaseadmed Ti käivitatud BQ25504 ja BQ25505 funktsioonid on sarnased, kuid puhkevool on alla 325 NA. Mõlemad seadmed on varustatud autonoomse toiteallika mitmeotstarbelise multiplekseri väravadraiveriga, mis pärast käivitamist võimaldab süsteemil saada energiat energia kogumisallikatest ja primaarakudest, tagades vajaduse korral pideva toiteallika, isegi kui kollektor pole saadaval. töötavad ka korralikult. Ülimadal staatiline vool on väga oluline, kui süsteem ei lülitu välja, nii et aku eluiga saab pikendada.
Kui suurus ja kaal on probleemiks, soovitab TI BQ25100, mis on väiksema võimsusega lineaarne akulaadija, mis sobib eriti hästi üksikute liitiumioonnuppude jaoks. Seade on kapseldatud 0.9 x 1.6 mm WCSP-ga, toetab kuni 30 V sisendpinget, võimaldades kiirlaadimisvoolu täpselt juhtida vahemikus 10 mA kuni 250 mA.
Täiendavad seadmed TPS82740A ja TPS8274B buck-muunduri moodulid toetavad 200 mA väljundvoolu, muundamise efektiivsus on kuni 95%, kuluv puhkevool on ainult 360 NA ja 70 NA on 70 NA. 6.7 mm2 pakend sisaldab lülitusregulaatorit, induktiivpooli ja I/O kondensaatorit. Integreerides kõik vajalikud passiivsed seadmed, on seadme maht 75% väiksem kui sama diskreetne lahendus. TPS82740A on ülimadala pingega rakendus ja TPS8274B-l on funktsioon "DCS Control", mis sobib toitehalduseks, nagu Ti, näiteks Ti jaoks. MSP430 seeria.
Kokkuvõtteks Energia kogumise tehnoloogia kaasaskantava rakenduse valimiseks valige sobiv toitehalduse IC, peate hoolikalt kaaluma süsteemi võimsusnõudeid, energiatootmise potentsiaali ja energiasalvestusvõimsust. Võimsusvahemiku madalates otstes (nt juhtmevabad andurite sõlmed) või kui TEG-i genereeritud energia on väga väike, on seadme valik piiratum. Kui väiksus ja kerge kaal on parimaks prioriteediks, valige võib-olla parim lahendus kõrgem integratsioon, näiteks mitu käesolevast artiklist.
Meie teise tootega:
