Zber energie sa považuje hlavne za spôsob napájania na napájanie elektronických zariadení, ktoré je potrebné pridať k napájaciemu zdroju alebo inému ako je batéria. V mnohých prípadoch aplikácie využívajúce zber energie často nemajú dostatočný priestor na umiestnenie veľkých objemov. Typické príklady zahŕňajú nositeľné technológie, ako sú fitness zariadenia a zariadenia na monitorovanie zdravia, ako aj bezdrôtové senzorové uzly, ako sú aplikácie na monitorovanie stavu prostredia alebo štruktúry.
Energiu zozbieranú z environmentálnych zdrojov energie, ako je slnečná energia, vibrácie alebo teplotné rozdiely, je zvyčajne potrebné efektívne využiť po prechode, posilnení a dočasnom uskladnení. V súčasnosti sa počet spoločností, ktoré spúšťajú aplikácie na zber energie a integrované obvody na správu napájania, čoraz viac rozrastá. Ale čelí tlaku, aby sa zabezpečilo, že tieto zariadenia sú vysoko integrované, aby sa uľahčila multifunkčná prevádzka, a veľkosť by mala byť čo najmenšia. Niet pochýb o tom, že spotreba energie samotného zariadenia je veľmi nízka.
Tento článok načrtne potreby miniaturizácie trhov s rýchlo nositeľnými elektronickými zariadeniami a ich súvisiacimi aplikáciami a nedávno sa bude diskutovať o posilňovacej nabíjačke BQ25570 s integrovanými prevodníkmi peňazí a sériou podobných alternatív a doplnkových komponentov. Tento článok sa bude odvolávať na používateľskú príručku TI, vysvetlí, ako efektívne používať zariadenie na ultranízky nízky výkon, priestorový / hmotnostný limit.
Viac funkcií Dnes je čoraz viac nositeľných zariadení, ktoré sledujú fitness plán, monitorujú zdravotný stav a poskytujú podmienky zdravotnej starostlivosti a poskytujú lekárske služby. Ako väčšina prenosných zariadení bude tento trend podporovať nárast funkcií zariadení, ktoré spotrebitelia očakávajú. Ak je GPS zariadenie integrované do pulzomera, sledujte číslo nahrávacieho zvonenia alebo bežeckú trasu, pulzomer bude preferovanejší. V súčasnosti môžu moderné nositeľné zariadenia na monitorovanie zdravia monitorovať krvný tlak, telesnú teplotu, obsah kyslíka v krvi, srdcovú frekvenciu a aktivitu.
Obrázok 1: Zber energie bude kľúčovými technológiami v mnohých aplikáciách nositeľných elektronických zariadení.
Vľavo: Inteligentné ponožky Sensoria, vybavené tlakovými senzormi, môžu komunikovať s krúžkami na chodidlách cez Bluetooth, aby pomohli identifikovať a zlepšiť polohu pri behu (päta / chodidlo). Ďalšie senzory môžu sledovať záznamy, rýchlosť, spotrebu kalórií, výšky a vzdialenosti.
Vpravo: Výskum a vývoj Fraunhofer Institute Nositeľné pomocné vybavenie pre skupinu starších ľudí môže poskytovať sériu programovateľných služieb, ako je napríklad užívanie drogových pripomienok, monitorovanie zdravia a núdzové volania.
Bezdrôtové pripojenie uľahčuje prenos a ukladanie zozbieraných údajov na neskoršiu analýzu. Bezdrôtové senzorové siete ako súčasť internetu vecí sú nevyhnutné v aplikáciách, ako sú inteligentné budovy a monitorovanie životného prostredia, a údaje z mnohých senzorov v týchto aplikáciách sa musia kompilovať. Z tohto dôvodu sú integrované senzory, rádiofrekvenčné obvody a presnejšie mikrokontroléry čoraz častejšie v inteligentných hodinkách, biometrických monitoroch, produktoch ID tag, senzorových uzloch a iných nositeľných alebo vzdialených aplikáciách.
Takéto multifunkčné zariadenia by však mali byť uprednostňované, okrem primeranej výdrže batérie vyžadujú aj nízku hmotnosť, malé rozmery a pohodlie. Dizajnéri použili techniky zberu energie na efektívne využitie energie z prostredia, ako je telesné teplo alebo kroky, aby sa batéria naďalej nabíjala. V určitých zariadeniach (ako sú implantované zariadenia) je zhromaždená energia jediným zdrojom energie.
Zber energie preto možno vnímať ako priestorovú praktickú technológiu, ktorú možno použiť ako alternatívu k batérii a možno ňou dosiahnuť menší objem nabíjateľnej batérie. Pre každé zariadenie, ktoré je napájané batériou alebo dodávanou energiou, je správa napájania veľmi dôležitá. Na zaistenie optimálneho výkonu a vysokej účinnosti operácií s vysokou spotrebou energie, zvyčajne nepravidelným napájaním, je potrebná určitá presnosť a presnosť. Na tento trh sa zameralo množstvo výrobcov integrovaných obvodov, vrátane Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics a Texas Instruments.
V porovnaní so starou generáciou napájania je nová generácia napájacích zdrojov vyššia, objem je menší a spotreba energie je nižšia. Teoreticky zariadenie získa výslednú energiu a potom ju prevedie a / alebo zvýši a nakoniec ju dodá priamo do systému alebo nabíjateľného zariadenia na ukladanie energie. Niektoré návrhy môžu byť určené pre typ zariadenia na ukladanie energie, ako je superkondenzátor alebo lítium-iónové tlačidlo. Existujú aj iné návrhy, ktoré podporujú viacero zariadení na ukladanie energie. Podobne môže byť niektorý dizajn venovaný forme zhromažďovania energie a existujú aj iné návrhy, ktoré podporujú viacero foriem energie.
Je potrebné poznamenať, že spúšťacie napätie potrebné pre rôzne aplikácie. Niektoré aplikácie sa spúšťajú na 20 mV, ale funkčnosť môže byť obmedzená a na zabezpečenie dostatočnej správy napájania sú potrebné ďalšie doplnkové komponenty. Komponenty s vyššou integráciou môžu mať menšiu veľkosť a celkový statický prúd je nižší, ale môže byť potrebné vyššie štartovacie napätie, aby bolo viac závislé od najnižšej úrovne akumulačnej energie. Niektoré zariadenia sú veľmi cielené a sú určené pre uzly senzorov s ultranízkou spotrebou. Iné zariadenia budú podporovať vyššie úrovne vstupného napätia, aby splnili požiadavky založené na vybavení mikrokontrolérov, ale pre aplikácie na zber energie sú tieto mikro zariadenia samotné veľmi nízke.
Je dôležité, aby IC správy napájania bolo dostatočne flexibilné, aby zvládlo prerušované napájanie a zhromaždenú energiu (často nestabilnú a často zhromažďujúce množstvo). S tým treba počítať už pri návrhu systému, teda s dostatočnou kapacitou akumulácie energie, v prípade potreby je možné zabezpečiť stálu elektrinu. To závisí do značnej miery od čítacej frekvencie snímača a prenosového množstva dát a prenosovej frekvencie.
Spoločnosť Texas INSTRUMENTS s vysokou integráciou ponúka množstvo mikrozariadení s veľmi nízkou spotrebou energie pre aplikácie na zber energie, vrátane integrovaných obvodov správy napájania, bezdrôtových pripojení a mikrokontrolérov. Najnovší BQ25570 spoločnosti je vysoko integrovaná energetická kolekcia femto riešenia správy napájania. Spĺňa všetky normy týkajúce sa techník zberu energie a všetky normy pre aplikácie s obmedzeným výkonom.
Zariadenie je kompaktné, používa balenie 3.5 x 3.5 mm QFN s 20 zvodmi, statický prúd s ultranízkym výkonom je 488 NA (typická hodnota) a režim dopravy je. 1881.5 NA. Okrem toho je tu aj vyhodnocovací modul BQ25570EVM. Podrobné informácie o produktoch a aplikácii nájdete v používateľskej príručke špecifikácie zariadenia a hodnotiacej dosky 2.
Zariadenie stále vyžaduje externý kondenzátor a rezistor, ale vďaka vysokej integrácii môže minimalizovať potrebu dodatočného vybavenia. Prístroj je ideálny pre bezdrôtové senzorové siete s náročnými požiadavkami na napájanie a prevádzku, pričom implementuje riešenia s vysokoenergetickou pulznou frekvenčnou moduláciou (PFM) zosilňovacej nabíjačky a femto power buck konvertorom. Pozri obrázok 2 nižšie: Prístroj možno použiť v spojení s rôznymi vysokoimpedančnými zdrojmi energie, vrátane fotovoltaických (solárnych), termoelektrických generátorov (TEG) a AC/DC usmerňovačov a piezoelektrických generátorov. Zo stavu studeného štartu je minimálne napätie DC / DC boost konvertora / nabíjačky minimálne 330 mV. Jeho hypotéza je založená na: vstupný zdroj poskytuje najmenej 5 μW (typické) a výstup meniča záťaže je menší ako 1 μA zvodový prúd (vrátane zvodového prúdu akumulačného prvku). Výstupné napätie zosilňovacieho meniča však po spustení dosiahne 1.8 V a napätie 100 MV potrebné pre zariadenie je možné získať zo zdroja zberu energie.
Zhoršovací konvertor sa najprv získa z výstupu zosilňovacieho konvertora, aby sa získal vstupný výkon, a potom vykoná proces znižovania a nakoniec poskytuje nastavovacie napätie pre výstupný kolík. Prevodník používa PFM ovládanie na úpravu napätia tak, aby sa približovalo k hodnote nastavenej používateľom programovateľným deličom napätia odporu. Prúd cez induktor je riadený vnútorným obvodom detekcie prúdu. Z režimu dodania je čas cca 100 ms, z pohotovostného režimu začína rýchlejšie, ale to závisí od veľkosti výstupného kondenzátora.
BQ25570 možno použiť s rôznymi úložnými zariadeniami, vrátane kondenzátorov, superkondenzátorov, lítium-iónových batérií a iných chemických batérií. Keď je systém v režime nízkej spotreby alebo spánku, kolektor poskytne dostatok elektrickej energie na nabitie úložného prvku. Keď zberač energie nefunguje, batéria alebo kondenzátor musia mať dostatočný výkon na napájanie celej záťaže systému. Na filtrovanie pulzného prúdu spínacej nabíjačky PFM je potrebný ekvivalentný kondenzátor 100 μF.
Podľa používateľskej príručky TI je hlavný rozdiel medzi batériou a superkondenzátorom v tom, že v batérii je ich málo a ešte menej ako určité množstvo napätia a je tam superkondenzátor. Dizajnéri systému si musia všimnúť, že existuje významný zvodový prúd, ktorý je ekvivalentný jednosmernému zaťaženiu na výstupe zosilňovacieho meniča.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) sa vzťahuje na najvýkonnejšiu energiu a riadenie fotovoltaického článku (70 až 80 %) a TEG (50 %). Medzi ďalšie funkcie, ktoré vysokoenergetické riadenie napájaného zariadenia patrí: ochrana proti prepätiu a podpätiu batérie, automatické tepelné vypnutie dobíjacej lítium-iónovej batérie. Ďalšou dôležitou funkciou je presné sledovanie stavu batérie. Ak sa systém môže dostať do stavu podpätia, je tiež potrebné spustiť funkciu poklesu záťažového prúdu.
Alternatívne vybavenie a doplnkové vybavenie Funkcie BQ25504 a BQ25505 spustené spoločnosťou Ti sú podobné, ale pokojový prúd je menší ako 325 NA. Obidve zariadenia sú po spustení vybavené autonómnym napájacím viacúčelovým ovládačom multiplexnej brány, ktorý umožňuje systému získavať energiu zo zdrojov zberu energie a primárnych batérií, čím sa zabezpečuje, že v prípade potreby je k dispozícii konštantné napájanie, aj keď kolektor nie je k dispozícii. tiež správne fungovať. Ultranízky statický prúd je veľmi dôležitý, keď sa systém nedá vypnúť, aby sa predĺžila životnosť batérie.
Ak je problém s veľkosťou a hmotnosťou, TI odporúča BQ25100, čo je lineárna nabíjačka batérií s nižším výkonom, vhodná najmä pre jednoduché lítium-iónové tlačidlá. Zariadenie je zapuzdrené 0.9 x 1.6 mm WCSP, podporuje vstupné napätie až 30 V, čo umožňuje presné riadenie rýchlonabíjacieho prúdu v rozsahu 10 mA až 250 mA.
Doplnkové vybavenie modulov konvertorov TPS82740A a TPS8274B podporuje výstupný prúd 200 mA, účinnosť konverzie je až 95%, spotrebovaný pokojový prúd je len 360 NA a 70 NA je 70 NA. Balenie 6.7 mm2 obsahuje spínací regulátor, tlmivku a I/O kondenzátor. Vďaka integrácii všetkých potrebných pasívnych zariadení je objem zariadenia o 75 % menší ako u rovnakého diskrétneho riešenia. TPS82740A je aplikácia s ultranízkym napätím a TPS8274B má funkciu "DCS Control", ktorá je vhodná pre správu napájania, ako je Ti, napríklad Ti. Séria MSP430.
na záver Ak chcete vybrať prenosnú aplikáciu technológie zberu energie, vybrať vhodný integrovaný obvod na správu napájania, musíte starostlivo zvážiť požiadavky na napájanie systému, potenciál výroby energie a kapacitu skladovania energie. Na nízkych hraniciach výkonového rozsahu (ako sú bezdrôtové senzorové uzly) alebo ak je energia generovaná TEG veľmi malá, je výber zariadenia obmedzenejší. Ak sú malá veľkosť a nízka hmotnosť najlepšou prioritou, vyberte vyššiu integráciu, ako napríklad niekoľko z tohto článku, možno najlepšie riešenie.
Náš ďalší produkt:
