Energiankeruu nähdään pääasiassa virransyöttömenetelmänä sähkönsyötössä sähkölaitteisiin, jotka on lisättävä virtalähteeseen tai muuhun kuin paristoon. Monissa tapauksissa energiankeräyksiä käyttävillä sovelluksilla ei useinkaan ole tarpeeksi tilaa suurille määrille. Tyypillisiä esimerkkejä ovat puettavat tekniikat, kuten kuntolaitteet ja terveyden seurantalaitteet, sekä langattomat anturisolmut, kuten ympäristön tai rakenteiden tilan seurantasovellukset.
Tyypillisesti ympäristön energialähteistä, kuten aurinkoenergiasta, tärinästä tai lämpötilaeroista, kerätty energia on hyödynnettävä tehokkaasti siirtymän, tehostuksen ja väliaikaisen varastoinnin jälkeen. Nykyään energiankeräyssovellusten ja virranhallinnan integroitujen piirien käynnistämien yritysten määrä kasvaa jatkuvasti. Mutta paine on edessä, jotta nämä laitteet ovat erittäin integroituja monitoimitoiminnan helpottamiseksi, ja koon tulisi olla mahdollisimman pieni. Ei ole epäilystäkään siitä, että itse laitteen virrankulutus on erittäin alhainen.
Tässä artikkelissa hahmotellaan nopeasti puettavien elektroniikkalaitteiden markkinoiden ja niihin liittyvien sovellusten miniatyrisointitarpeita ja käsitellään äskettäin BQ25570-tehostinlaturia, jossa on integroidut buck-muuntimet, sekä sarja samanlaisia vaihtoehtoja ja täydentäviä komponentteja. Tämä artikkeli viittaa käyttöoppaaseen TI, selittää, kuinka tehokkaasti käyttää laitetta ultracen alhainen teho, tila / painorajoitus.
Lisää ominaisuuksia Nykyään yhä useammat puettavat laitteet seuraavat kuntosuunnitelmaa terveydentilan seurantaan ja terveydenhuoltoon sekä lääketieteellisten palvelujen tarjoamiseen. Kuten useimmat kannettavat laitteet, tämä trendi edistää laitteiden toimintojen lisääntymistä kuluttajien odotusten mukaisesti. Jos GPS-laite on integroitu sykemittariin, seuraa tallennusrenkaan numeroa tai juoksureittiä, sykemittaria suositaan enemmän. Tällä hetkellä nykyaikaisilla puetettavilla terveyden seurantalaitteilla voidaan seurata verenpainetta, ruumiinlämpöä, veren happipitoisuutta, sykettä ja aktiivisuutta.
Kuva 1: Energian kerääminen tulee olemaan avainteknologioita monissa puettavien elektronisten laitteiden sovelluksissa.
Vasemmalla: Sensorian älykkäät sukat, joissa on paineanturi, voivat kommunikoida jalkarenkaiden kanssa Bluetoothin kautta auttaakseen tunnistamaan ja parantamaan juoksuasentoja (kantapää/jalka). Muut anturit voivat seurata ennätyksiä, nopeutta, kulutettuja kaloreita, korkeuksia ja matkoja.
Oikealla: Fraunhofer Instituten tutkimus ja kehitys Vanhusten ryhmän puettavat apulaitteet voivat tarjota useita ohjelmoitavia palveluita, kuten huumemuistutusten ottamista, terveydentilan seurantaa ja hätäapupuheluita.
Langattoman yhteyden ansiosta kerätyt tiedot on helppo siirtää ja tallentaa myöhempää analysointia varten. Langattomat anturiverkot osana esineiden Internetiä ovat välttämättömiä sovelluksissa, kuten älykkäissä rakennuksissa ja ympäristön valvonnassa, ja näiden sovellusten monista antureista on kerättävä dataa. Tämän vuoksi integroituja antureita, radiotaajuuspiirejä ja tarkempia mikrokontrollereita käytetään yhä enemmän älykelloissa, biometrisissa näytöissä, ID-tagituotteissa, anturisolmuissa ja muissa puettavissa tai etäsovelluksissa.
Tällaisia monitoimilaitteita tulisi kuitenkin suosia, paitsi kohtuullisen akun keston vuoksi, se vaatii myös keveyttä, pientä kokoa ja mukavuutta. Suunnittelijat ovat käyttäneet energiankeräystekniikoita hyödyntääkseen tehokkaasti ympäristön energiaa, kuten kehon lämpöä tai askeleita, jotta akku latautuu jatkuvasti. Tietyissä laitteissa (kuten implantoiduissa laitteissa) kerätty energia on ainoa energialähde.
Siksi energiankeruu voidaan nähdä tilallisena käytännöllisenä teknologiana, jota voidaan käyttää vaihtoehtona akulle ja jolla voidaan saavuttaa pienempi määrä ladattavaa akkua. Virranhallinta on erittäin tärkeää kaikissa laitteissa, jotka saavat virtaa akusta tai syötetystä energiasta. Optimaalisen suorituskyvyn ja tehokkaan toiminnan takaaminen suurella virrankulutuksella, yleensä epäsäännöllisillä virtalähteillä, vaatii tiettyä tarkkuutta ja tarkkuutta. Useat IC-valmistajat ovat kohdistaneet tämän markkinoille, mukaan lukien Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics ja Texas Instruments.
Vanhan sukupolven tehoon verrattuna uuden sukupolven teholähteet ovat korkeampia, volyymi pienempi ja virrankulutus pienempi. Teoriassa laite saa tuloksena olevan energian, sitten muuntamisen ja/tai tehostuksen ja lopulta syöttää sen suoraan järjestelmään tai ladattavaan energian varastointilaitteeseen. Jotkut mallit voidaan varata tietyntyyppisille energian varastointilaitteille, kuten superkondensaattorille tai litiumionipainikkeelle. On myös muita malleja, jotka tukevat useita energian varastointilaitteita. Samoin jotkut mallit voivat olla omistettu tietylle energiankeräysmuodolle, ja on muita malleja, jotka tukevat useita energiamuotoja.
Huomionarvoista on eri sovelluksissa tarvittava käynnistysjännite. Jotkut sovellukset käynnistetään 20 mV:iin, mutta toiminnallisuus saattaa olla rajoitettua, ja riittävän tehonhallinnan takaamiseksi tarvitaan lisäkomponentteja. Komponentit, joilla on suurempi integraatio, voivat olla pienempiä kokoisia ja staattinen kokonaisvirta pienempi, mutta korkeampi käynnistysjännite saattaa olla tarpeen, jotta se olisi riippuvaisempia alimmasta tallennusenergiasta. Jotkut laitteet ovat hyvin kohdennettuja, omistettu erittäin pienitehoisille anturisolmuille. Muut laitteet tukevat korkeampia tulojännitetasoja täyttääkseen mikrokontrollerilaitteistoon perustuvat vaatimukset, mutta energiankeräyssovelluksissa nämä mikrolaitteet itsessään ovat erittäin alhaisia.
On tärkeää, että virranhallinta-IC:n on oltava riittävän joustava käsitelläkseen ajoittaista tehoa ja kerättyä energiaa (usein epävakaa ja usein keräävän määrän). Tämä on huomioitava järjestelmän suunnittelussa, eli riittävä energian varastointikapasiteetti, on mahdollista tuottaa jatkuvaa sähköä tarvittaessa. Tämä riippuu suurelta osin anturin lukutaajuudesta sekä tiedon lähetysmäärästä ja lähetystaajuudesta.
Korkean integroinnin Texas INSTRUMENTS tarjoaa valikoiman erittäin pienitehoisia mikrolaitteita energiankeräyssovelluksiin, mukaan lukien virranhallinta-IC:t, langattomat yhteydet ja mikro-ohjaimet. Yhtiön uusin BQ25570 on korkea integroitu energiakokoelma femto-virranhallintaratkaisusta. Se täyttää kaikki energiankeräystekniikoiden standardit ja kaikki standardit tehorajoitetuille sovelluksille.
Laite on kompakti, käyttää 3.5 x 3.5 mm:n QFN-pakettia, jossa on 20 johtoa, erittäin pienitehoinen staattinen virta on 488 NA (tyypillinen arvo) ja kuljetustapa on. 1881.5 NA. Lisäksi on myös BQ25570EVM-arviointimoduuli. Katso tarkemmat tiedot tuotteista ja sovelluksista laitteen teknisistä tiedoista ja arviointitaulun käyttöoppaasta 2.
Laite vaatii edelleen ulkoisen kondensaattorin ja vastuksen, mutta korkean integroinnin ansiosta se voi minimoida lisälaitteiden tarpeen. Laite soveltuu erinomaisesti langattomiin anturiverkkoihin, joissa on kovat teho- ja käyttövaatimukset, ja se toteuttaa korkean energian pulssitaajuusmodulaation (PFM) boost-laturi- ja femto-virtamuunninratkaisuja. Katso alla oleva kuva 2: Laitetta voidaan käyttää useiden korkean impedanssien energian kanssa, mukaan lukien aurinkosähkö (aurinkoenergia), lämpösähkögeneraattori (TEG) sekä AC/DC-tasasuuntaaja ja pietsosähköiset generaattorit. Kylmäkäynnistystilasta laitteen DC/DC-tehostusmuuntimen/laturin minimijännite on 330 mV. Sen hypoteesi perustuu seuraaviin seikkoihin: tulovirtalähde tuottaa vähintään 5 μW (tyypillinen) ja kuormitusmuuntimen lähtö on alle 1 μA vuotovirta (mukaan lukien varastoelementin vuotovirta). Boost-muuntimen lähtöjännite saavuttaa kuitenkin käynnin jälkeen 1.8 V ja laitteen tarvitsema 100 MV jännite saadaan energiankeräyslähteestä.
Buck-muunnin hankitaan ensin tehostusmuuntimen lähdöstä syöttötehon saamiseksi, minkä jälkeen se suorittaa alennusprosessin ja antaa lopuksi säätöjännitteen lähtönastalle. Buck-muunnin käyttää PFM-ohjausta jännitteen säätämiseen niin, että se on lähellä käyttäjän ohjelmoitavan vastuksen jännitteenjakajan asettamaa arvoa. Induktorin läpi kulkevaa virtaa ohjaa sisäinen virrantunnistuspiiri. Toimitustilasta aika on noin 100 ms, valmiustilasta käynnistyy nopeammin, mutta tämä riippuu lähtökondensaattorin koosta.
BQ25570:tä voidaan käyttää useiden tallennuslaitteiden kanssa, mukaan lukien kondensaattorit, superkondensaattorit, litiumioniakut ja muut kemialliset akut. Kun järjestelmä on alhaisessa tehossa tai lepotilassa, kerääjä tuottaa riittävästi sähköenergiaa varastoelementin lataamiseen. Kun energiankeräin ei toimi, akussa tai kondensaattorissa on oltava riittävästi tehoa koko järjestelmän kuormitukseen. Vastaava kondensaattori 100 μF tallennuselementti tarvitaan suodattamaan PFM-kytkentälaturin pulssivirtaa.
TI:n käyttöohjeen mukaan suurin ero akun ja superkondensaattorin välillä on se, että akussa on vähän, ja jopa alle tietyn määrän jännitettä, ja superkondensaattori on olemassa. Järjestelmäsuunnittelijoiden on huomioitava, että tehostusmuuntimen lähdössä on merkittävä vuotovirta, joka vastaa tasavirtakuormaa.
Maksimitehopisteen seuranta (MPPT) viittaa aurinkokennojen (70–80 %) ja TEG:n (50 %) tehokkaimpaan energiaan ja hallintaan. Muita akkukäyttöisten laitteiden korkean energiatehokkuuden hallintatoimintoja ovat: akun yli- ja alijännitesuoja, ladattavan litiumioniakun automaattinen lämpösammutus. Akun tilan tarkka seuranta on toinen tärkeä ominaisuus. Jos järjestelmä saattaa mennä alijännitetilaan, on myös tarpeen laukaista kuormitusvirran pudotustoiminto.
Vaihtoehtoiset laitteet ja lisälaitteet Ti:n käynnistämät BQ25504- ja BQ25505-toiminnot ovat samanlaisia, mutta lepovirta on alle 325 NA. Molemmat laitteet on varustettu autonomisella tehon monikäyttöisellä multiplekseriporttiohjaimella, kun se käynnistetään, jolloin järjestelmä voi saada energiaa energiankeräyslähteistä ja primaariakuista, mikä varmistaa jatkuvan tehon tarvittaessa myös silloin, kun keräilijä ei ole käytettävissä. toimivat myös kunnolla. Erittäin alhainen staattinen virta on erittäin tärkeä, kun järjestelmä ei voi sammuttaa, jotta akun käyttöikää voidaan pidentää.
Jos koko ja paino ovat ongelmallisia, TI suosittelee BQ25100:ta, joka on lineaarinen akkulaturi, jonka teho on pienempi ja sopii erityisesti yksittäisille litiumionipainikkeille. Laite on koteloitu 0.9 x 1.6 mm WCSP:llä, ja se tukee jopa 30 V:n tulojännitettä, mikä mahdollistaa nopean latausvirran tarkan hallinnan välillä 10 mA - 250 mA.
Täydentävät laitteet TPS82740A ja TPS8274B buck-muunninmoduulit tukevat 200 mA lähtövirtaa, muunnoshyötysuhde on jopa 95 %, kulutettu lepovirta on vain 360 NA ja 70 NA on 70 NA. 6.7 mm2 paketti sisältää kytkentäsäätimen, induktorin ja I/O-kondensaattorin. Integroimalla kaikki tarvittavat passiiviset laitteet, laitteen tilavuus on 75 % pienempi kuin saman erillisen ratkaisun. TPS82740A on erittäin pieni jännitesovellus ja TPS8274B:ssä on "DCS Control" -ominaisuus, joka sopii virranhallintaan, kuten Ti, esimerkiksi Ti:lle. MSP430 sarja.
Lopuksi Valitaksesi kannettavan energiankeräysteknologian sovelluksen, valitse sopiva virranhallinta-IC, sinun on harkittava huolellisesti järjestelmän tehovaatimuksia, energiantuotantopotentiaalia ja energian varastointikapasiteettia. Tehoalueen matalilla päillä (kuten langattomat anturisolmut) tai jos TEG:n tuottama energia on hyvin pientä, laitteen valinta on rajoitetumpi. Jos pieni koko ja keveys ovat etusijalla, valitse korkeampi integraatio, kuten useat tästä artikkelista, ehkä paras ratkaisu.
Meidän muiden tuotteiden:
