Die Energiesammlung wird hauptsächlich als Stromversorgungsmethode für die Stromversorgung elektronischer Geräte angesehen, die der Stromversorgung hinzugefügt werden müssen oder andere als die Batterie sind. In vielen Fällen verfügen Anwendungen, die Energiesammlungen nutzen, oft nicht über ausreichend Platz, um große Volumina unterzubringen. Typische Beispiele sind tragbare Technologien wie Fitness-Gadgets und Gesundheitsüberwachungsgeräte sowie drahtlose Sensorknoten wie Anwendungen zur Überwachung des Umwelt- oder Strukturzustands.
Typischerweise muss die aus Umweltenergiequellen wie Sonnenenergie, Vibrationen oder Temperaturunterschieden gewonnene Energie nach der Umwandlung, Verstärkung und Zwischenspeicherung effektiv genutzt werden. Heutzutage gibt es immer mehr Unternehmen, die Energiesammel-Apps und integrierte Schaltkreise für das Energiemanagement ins Leben rufen. Es besteht jedoch der Druck, sicherzustellen, dass diese Geräte hochintegriert sind, um den Multifunktionsbetrieb zu ermöglichen, und dass die Größe so klein wie möglich sein sollte. Es besteht kein Zweifel, dass der Stromverbrauch der Geräte selbst sehr gering ist.
In diesem Artikel werden die Miniaturisierungsbedürfnisse der Märkte für schnell tragbare elektronische Geräte und die damit verbundenen Anwendungen dargelegt und das aktuelle Aufwärtsladegerät BQ25570 mit integrierten Abwärtswandlern sowie eine Reihe ähnlicher Alternativen und ergänzender Komponenten erörtert. In diesem Artikel wird auf das Benutzerhandbuch von TI verwiesen, in dem erklärt wird, wie das Gerät effektiv eingesetzt werden kann, um eine Ultrazentierung mit geringem Stromverbrauch und begrenztem Platzbedarf/Gewicht zu ermöglichen.
Weitere Funktionen Heutzutage sind es immer mehr tragbare Geräte, die den Fitnessplan verfolgen, um den Gesundheitszustand zu überwachen, Gesundheitsvorsorgebedingungen bereitzustellen und medizinische Dienstleistungen bereitzustellen. Wie bei den meisten tragbaren Geräten wird dieser Trend die von den Verbrauchern erwartete Zunahme der Gerätefunktionen fördern. Wenn das GPS-Gerät in den Herzfrequenzmesser integriert ist, können Sie die Ringnummer oder die Laufstrecke aufzeichnen, wobei der Herzfrequenzmesser bevorzugter ist. Derzeit können moderne tragbare Gesundheitsüberwachungsgeräte Blutdruck, Körpertemperatur, Blutsauerstoffgehalt, Herzfrequenz und Aktivität überwachen.
Abbildung 1: Die Energiegewinnung wird eine Schlüsseltechnologie in vielen tragbaren elektronischen Geräteanwendungen sein.
Links: Die mit Drucksensoren ausgestatteten intelligenten Socken von Sensoria können über Bluetooth mit den Fußringen kommunizieren, um dabei zu helfen, Laufhaltungen (Ferse/Fuß) zu erkennen und zu verbessern. Andere Sensoren können Rekorde, Geschwindigkeit, Kalorienverbrauch, Höhen und Distanzen verfolgen.
Rechts: Forschung und Entwicklung des Fraunhofer-Instituts. Die tragbaren Zusatzgeräte für ältere Menschen können eine Reihe programmierbarer Dienste bereitstellen, z. B. Medikamentenerinnerungen, Gesundheitsüberwachung und Notrufe.
Die drahtlose Verbindung erleichtert die Übertragung und Speicherung gesammelter Daten für eine spätere Analyse. Drahtlose Sensornetzwerke als Teil des Internets der Dinge sind für Anwendungen wie intelligente Gebäude und Umweltüberwachung unerlässlich, und Daten von vielen Sensoren in diesen Anwendungen müssen zusammengestellt werden. Aus diesem Grund werden zunehmend integrierte Sensoren, Hochfrequenzschaltungen und präzisere Mikrocontroller in Smartwatches, biometrischen Monitoren, ID-Tag-Produkten, Sensorknoten und anderen tragbaren oder Remote-Anwendungen eingesetzt.
Solche Multifunktionsgeräte sollten jedoch bevorzugt werden, da sie neben einer angemessenen Akkulaufzeit auch geringes Gewicht, geringe Größe und Komfort erfordern. Designer haben Energiesammeltechniken eingesetzt, um Umweltenergie wie Körperwärme oder Schritte effektiv zu nutzen, sodass die Batterie weiterhin aufgeladen wird. Bei bestimmten Geräten (z. B. implantierten Geräten) ist die gesammelte Energie die einzige Energiequelle.
Daher kann die Energiesammlung als eine räumlich praktische Technologie angesehen werden, die alternativ zur Batterie eingesetzt werden kann und ein kleineres Volumen an wiederaufladbaren Batterien erreichen kann. Für jedes Gerät, das über den Akku oder die zugeführte Energie betrieben wird, ist die Energieverwaltung sehr wichtig. Um eine optimale Leistung und einen hocheffizienten Betrieb bei hohem Stromverbrauch und meist unregelmäßigen Stromversorgungen zu gewährleisten, ist eine gewisse Genauigkeit und Präzision erforderlich. Eine Reihe von IC-Herstellern haben diesen Markt ins Visier genommen, darunter Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics und Texas Instruments.
Im Vergleich zur alten Generation von Netzteilen ist die neue Generation von Netzteilen höher, das Volumen kleiner und der Stromverbrauch geringer. Theoretisch wird das Gerät die entstehende Energie aufnehmen, dann umwandeln und/oder verstärken und schließlich direkt an das System oder den wiederaufladbaren Energiespeicher liefern. Einige Designs können einer Art Energiespeichergerät zugeordnet werden, beispielsweise einem Superkondensator oder einem Lithium-Ionen-Knopf. Es gibt auch andere Designs, die mehrere Energiespeicher unterstützen. In ähnlicher Weise können einige Designs einer Form der Energiesammlung gewidmet sein, und es gibt andere Designs, die mehrere Energieformen unterstützen.
Ein Schwerpunkt ist die für verschiedene Anwendungen erforderliche Startspannung. Einige Anwendungen werden mit 20 mV gestartet, die Funktionalität kann jedoch eingeschränkt sein und es sind zusätzliche ergänzende Komponenten erforderlich, um ein ausreichendes Energiemanagement bereitzustellen. Die Komponenten mit höherer Integration können eine kleinere Größe haben und der gesamte statische Strom ist geringer, es kann jedoch eine höhere Startspannung erforderlich sein, um sie stärker von der niedrigsten Speicherenergie abhängig zu machen. Einige Geräte sind sehr gezielt auf Sensorknoten mit extrem geringem Stromverbrauch ausgelegt. Andere Geräte unterstützen höhere Eingangsspannungspegel, um die Anforderungen der Mikrocontroller-Ausrüstung zu erfüllen, aber für Energiesammelanwendungen sind diese Mikrogeräte selbst sehr niedrig.
Es ist wichtig, dass der Energieverwaltungs-IC flexibel genug sein muss, um mit intermittierendem Strom und der gesammelten Energie umzugehen (oft instabil und sammelt oft die Menge an). Dies muss bei der Systemauslegung berücksichtigt werden, d. h. bei ausreichender Energiespeicherkapazität ist es möglich, bei Bedarf konstant Strom bereitzustellen. Dies hängt in hohem Maße von der Lesefrequenz des Sensors sowie der Übertragungsmenge der Daten und der Übertragungsfrequenz ab.
Texas INSTRUMENTS mit hoher Integration bietet eine Vielzahl von Mikrogeräten mit extrem geringem Stromverbrauch für Energiesammelanwendungen, darunter Energiemanagement-ICs, drahtlose Verbindungen und Mikrocontroller. Der neueste BQ25570 des Unternehmens ist eine hochintegrierte Energiesammlung einer Femto-Energiemanagementlösung. Es erfüllt alle Standards für Energiesammeltechniken und alle Standards für leistungsbeschränkte Anwendungen.
Das Gerät ist kompakt, verwendet ein 3.5 x 3.5 mm großes QFN-Gehäuse mit 20 Anschlüssen, der statische Strom mit extrem geringer Leistung beträgt 488 NA (typischer Wert) und der Transportmodus ist kompakt. 1881.5 NA. Darüber hinaus gibt es auch ein BQ25570EVM-Evaluierungsmodul. Detaillierte Produkt- und Anwendungsinformationen finden Sie in der Gerätespezifikation und im Benutzerhandbuch zum Evaluierungsboard 2.
Das Gerät erfordert immer noch einen externen Kondensator und einen Widerstand, kann aber aufgrund der hohen Integration den Bedarf an zusätzlicher Ausrüstung minimieren. Das Gerät eignet sich ideal für drahtlose Sensornetzwerke mit hohen Leistungs- und Betriebsanforderungen und implementiert Hochenergie-Pulsfrequenzmodulations-(PFM)-Boost-Ladegeräte und Femto-Power-Abwärtswandler-Lösungen. Siehe Abbildung 2 unten: Das Gerät kann in Verbindung mit einer Vielzahl von Energiequellen mit hoher Impedanz verwendet werden, einschließlich Photovoltaik (Solar), thermoelektrischem Generator (TEG) sowie AC/DC-Gleichrichter und piezoelektrischen Generatoren. Ab dem Kaltstartzustand beträgt die Mindestspannung des DC/DC-Aufwärtswandlers/Ladegeräts mindestens 330 mV. Seine Hypothese basiert auf: Die Eingangsstromversorgung liefert mindestens 5 μW (typisch) und der Lastwandlerausgang weist einen Leckstrom von weniger als 1 μA auf (einschließlich des Leckstroms des Speicherelements). Allerdings erreicht die Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers nach dem Betrieb 1.8 V und die für das Gerät erforderliche Spannung von 100 MV kann aus der Energiesammelquelle bezogen werden.
Der Tiefsetzsteller erhält zunächst vom Ausgang des Hochsetzstellers Eingangsleistung, führt dann einen Abwärtsvorgang durch und stellt schließlich eine Anpassungsspannung für den Ausgangspin bereit. Der Abwärtswandler nutzt die PFM-Steuerung, um die Spannung so anzupassen, dass sie nahe an dem vom Benutzer programmierbaren Widerstandsspannungsteiler eingestellten Wert liegt. Der Strom durch die Induktivität wird durch die interne Stromerkennungsschaltung gesteuert. Ab dem Auslieferungsmodus beträgt die Zeit ca. 100 ms, ab dem Standby-Modus beginnt es schneller, dies hängt jedoch von der Größe des Ausgangskondensators ab.
BQ25570 kann mit einer Vielzahl von Speichergeräten verwendet werden, darunter Kondensatoren, Superkondensatoren, Lithium-Ionen-Batterien und andere chemische Batterien. Wenn sich das System im Energiespar- oder Schlafmodus befindet, liefert der Kollektor ausreichend elektrische Energie, um das Speicherelement aufzuladen. Wenn der Energiekollektor nicht funktioniert, muss die Batterie oder der Kondensator über ausreichend Energie verfügen, um die gesamte Systemlast zu versorgen. Zum Filtern des Impulsstroms des PFM-Schaltladegeräts ist ein äquivalentes Kondensatorspeicherelement mit 100 μF erforderlich.
Laut TI-Benutzerhandbuch besteht der Hauptunterschied zwischen der Batterie und dem Superkondensator darin, dass in der Batterie nur wenige und sogar weniger als eine bestimmte Spannung vorhanden sind und ein Superkondensator vorhanden ist. Systementwickler müssen beachten, dass es einen erheblichen Leckstrom gibt, der einer Gleichstromlast am Ausgang des Aufwärtswandlers entspricht.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) bezieht sich auf die leistungsstärkste Energie und das Management der Photovoltaikzelle (70 bis 80 %) und des TEG (50 %). Zu den weiteren Funktionen des batteriebetriebenen Gerätes mit hohem Energieeffizienzmanagement gehören: Batterieüberspannungs- und -unterspannungsschutz, automatische thermische Abschaltung der wiederaufladbaren Lithium-Ionen-Batterie. Eine genaue Überwachung des Batteriestatus ist ein weiteres wichtiges Merkmal. Wenn das System möglicherweise in einen Unterspannungszustand gerät, ist es außerdem erforderlich, die Laststromabfallfunktion auszulösen.
Alternative Ausrüstung und Ergänzungsausrüstung Die von Ti eingeführten Funktionen BQ25504 und BQ25505 sind ähnlich, aber der Ruhestrom beträgt weniger als 325 NA. Beide Geräte sind mit einem autonomen Mehrzweck-Mehrzweck-Multiplexer-Gate-Treiber ausgestattet, der es dem System nach dem Start ermöglicht, Energie aus Energiesammelquellen und Primärbatterien zu beziehen und so sicherzustellen, dass bei Bedarf konstante Leistung bereitgestellt wird, auch wenn der Kollektor nicht verfügbar ist funktionieren auch einwandfrei. Der extrem niedrige statische Strom ist sehr wichtig, wenn das System nicht ausgeschaltet werden kann, sodass die Batterielebensdauer verlängert werden kann.
Wenn Größe und Gewicht ein Problem darstellen, empfiehlt TI BQ25100, ein lineares Batterieladegerät mit geringerer Leistung, das sich besonders für einzelne Lithium-Ionen-Tasten eignet. Das Gerät ist in 0.9 x 1.6 mm WCSP gekapselt und unterstützt eine Eingangsspannung von bis zu 30 V, sodass der Schnellladestrom innerhalb von 10 mA bis 250 mA genau gesteuert werden kann.
Die komplementären Abwärtswandlermodule TPS82740A und TPS8274B unterstützen einen Ausgangsstrom von 200 mA, der Umwandlungswirkungsgrad beträgt bis zu 95 %, der verbrauchte Ruhestrom beträgt nur 360 NA und 70 NA entspricht 70 NA. Das 6.7-mm2-Gehäuse enthält einen Schaltregler, eine Induktivität und einen I/O-Kondensator. Durch die Integration aller notwendigen passiven Geräte ist das Volumen des Geräts 75 % kleiner als bei der gleichen diskreten Lösung. Der TPS82740A ist eine Ultra-Niederspannungsanwendung, und der TPS8274B verfügt über die Funktion „DCS Control“, die für die Energieverwaltung geeignet ist, beispielsweise für Ti. MSP430-Serie.
Abschließend: Um eine tragbare Anwendung der Energieerfassungstechnologie auszuwählen, wählen Sie den geeigneten Energieverwaltungs-IC aus. Sie müssen den Strombedarf des Systems, das Energieerzeugungspotenzial und die Energiespeicherkapazität sorgfältig abwägen. Am unteren Ende des Leistungsbereichs (z. B. bei drahtlosen Sensorknoten) oder wenn die vom TEG erzeugte Energie sehr gering ist, ist die Auswahl des Geräts eingeschränkter. Wenn geringe Größe und geringes Gewicht oberste Priorität haben, dann wählen Sie eine höhere Integration, wie z. B. mehrere in diesem Artikel beschriebene, vielleicht die beste Lösung.
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