Odbiór energii jest postrzegany głównie jako sposób zasilania w energię elektryczną urządzeń elektronicznych, które należy dodać do zasilacza lub innych niż bateria. W wielu przypadkach aplikacje korzystające ze zbierania energii często nie mają wystarczającej przestrzeni, aby pomieścić duże ilości. Typowe przykłady obejmują technologie do noszenia, takie jak gadżety fitness i urządzenia do monitorowania stanu zdrowia, a także bezprzewodowe węzły czujników, takie jak aplikacje do monitorowania stanu środowiska lub konstrukcji.
Zazwyczaj energia pobrana ze źródeł energii środowiskowej, takich jak energia słoneczna, wibracje lub różnice temperatur, musi być efektywnie wykorzystana po przejściu, doładowaniu i czasowym przechowywaniu. Obecnie coraz więcej firm uruchamia aplikacje do zbierania energii i układy scalone do zarządzania energią. Ale presja jest skierowana, aby zapewnić, że urządzenia te są wysoce zintegrowane, aby ułatwić obsługę wielofunkcyjną, a rozmiar powinien być jak najmniejszy. Nie ma wątpliwości, że pobór mocy samego sprzętu jest bardzo niski.
W tym artykule omówimy potrzeby miniaturyzacji rynków szybko ubieralnego sprzętu elektronicznego i związanych z nimi zastosowań, a ostatnio omówimy ładowarkę doładowującą BQ25570 ze zintegrowanymi konwerterami buck oraz szereg podobnych alternatyw i komponentów uzupełniających. Ten artykuł będzie odnosić się do podręcznika użytkownika TI, wyjaśniać, jak skutecznie korzystać z urządzenia, aby ultracen niski pobór mocy, przestrzeń / limit wagi.
Więcej funkcji Obecnie coraz częściej pojawiają się urządzenia do noszenia, które śledzą plan fitness w celu monitorowania stanu zdrowia i zapewniania warunków opieki zdrowotnej oraz świadczenia usług medycznych. Jak większość urządzeń przenośnych, trend ten będzie sprzyjać wzrostowi funkcji sprzętu zgodnie z oczekiwaniami konsumentów. Jeśli urządzenie GPS jest zintegrowane z czujnikiem tętna, śledź numer dzwonka rejestrującego lub trasę biegu, czujnik tętna będzie bardziej preferowany. Obecnie nowoczesny, noszony na ciele sprzęt do monitorowania stanu zdrowia może monitorować ciśnienie krwi, temperaturę ciała, zawartość tlenu we krwi, tętno i aktywność.
Rysunek 1: Zbieranie energii będzie kluczowymi technologiami w wielu zastosowaniach urządzeń elektronicznych do noszenia.
Po lewej: inteligentne skarpetki Sensoria, wyposażone w czujniki nacisku, mogą komunikować się z pierścieniami na stopy przez Bluetooth, aby pomóc zidentyfikować i poprawić postawy podczas biegania (pięta / stopa). Inne czujniki mogą śledzić rekordy, prędkość, spalane kalorie, wysokość i odległości.
Po prawej: Badania i rozwój Instytutu Fraunhofera Urządzenia pomocnicze przeznaczone do noszenia dla osób starszych mogą zapewnić szereg programowalnych usług, takich jak przyjmowanie przypomnień o narkotykach, monitorowanie stanu zdrowia i wezwania pomocy w nagłych wypadkach.
Połączenie bezprzewodowe ułatwia przesyłanie i przechowywanie zebranych danych do późniejszej analizy. Bezprzewodowe sieci czujników w ramach Internetu Rzeczy mają kluczowe znaczenie w zastosowaniach takich jak inteligentne budynki i monitorowanie środowiska, a dane z wielu czujników w tych aplikacjach muszą być kompilowane. Z tego powodu zintegrowane czujniki, obwody częstotliwości radiowej i bardziej precyzyjne mikrokontrolery coraz częściej znajdują zastosowanie w inteligentnych zegarkach, monitorach biometrycznych, produktach z tagami identyfikacyjnymi, węzłach czujników i innych aplikacjach do noszenia lub zdalnych.
Jednak takie urządzenia wielofunkcyjne powinny być preferowane, poza rozsądną żywotnością baterii, wymagają one również niewielkiej wagi, niewielkich rozmiarów i wygody. Projektanci zastosowali techniki gromadzenia energii, aby skutecznie wykorzystać energię środowiska, taką jak ciepłota ciała lub kroki, dzięki czemu bateria będzie się dalej ładować. W niektórych urządzeniach (takich jak urządzenia wszczepione) zgromadzona energia jest jedynym źródłem energii.
Dlatego gromadzenie energii może być postrzegane jako praktyczna technologia przestrzenna, która może być stosowana jako alternatywa dla baterii i może osiągnąć mniejszą objętość baterii wielokrotnego ładowania. W przypadku każdego urządzenia, które jest zasilane z baterii lub dostarczanej energii, bardzo ważne jest zarządzanie energią. Zapewnienie optymalnej wydajności i wysokiej wydajności operacji przy dużym poborze mocy, zwykle nieregularnych zasilaczy, wymaga pewnej dokładności i precyzji. Wielu producentów układów scalonych jest ukierunkowanych na ten rynek, w tym Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics i Texas Instruments.
W porównaniu ze starą generacją mocy, nowa generacja zasilaczy jest wyższa, objętość jest mniejsza, a zużycie energii mniejsze. Teoretycznie urządzenie będzie pobierać powstałą energię, a następnie przetwarzać i/lub zwiększać, a na końcu dostarczać ją bezpośrednio do systemu lub urządzenia magazynującego energię. Niektóre konstrukcje mogą być dedykowane do typu urządzenia magazynującego energię, takiego jak superkondensator lub przycisk litowo-jonowy. Istnieją również inne projekty, które obsługują wiele urządzeń magazynujących energię. Podobnie, niektóre projekty mogą być poświęcone jakiejś formie gromadzenia energii, a istnieją inne projekty, które wspierają wiele form energii.
Należy zwrócić uwagę na napięcie rozruchowe wymagane dla różnych zastosowań. Niektóre aplikacje są uruchamiane do 20 mV, ale funkcjonalność może być ograniczona i wymagane są dodatkowe komponenty uzupełniające, aby zapewnić wystarczające zarządzanie energią. Komponenty o większej integracji mogą mieć mniejszy rozmiar, a całkowity prąd statyczny jest niższy, ale może być wymagane wyższe napięcie początkowe, aby było bardziej zależne od najniższego poziomu energii magazynowania. Niektóre urządzenia są bardzo ukierunkowane, dedykowane do węzłów czujników o bardzo niskim poborze mocy. Inne urządzenia będą obsługiwać wyższe poziomy napięcia wejściowego, aby spełnić wymagania oparte na sprzęcie z mikrokontrolerem, ale w przypadku zastosowań związanych z gromadzeniem energii same mikrourządzenia są bardzo niskie.
Ważne jest, aby układ scalony zarządzania energią był wystarczająco elastyczny, aby obsłużyć przerywaną moc i zebraną energię (często niestabilną i często zbierającą jej ilość). Należy to uwzględnić w projekcie systemu, tzn. wystarczająca pojemność magazynowania energii, w razie potrzeby możliwe jest zapewnienie stałej energii elektrycznej. Zależy to w dużej mierze od częstotliwości odczytu czujnika oraz ilości przesyłanych danych i częstotliwości przesyłania.
Wysoka integracja Texas INSTRUMENTS oferuje różnorodne mikrourządzenia o bardzo niskim poborze mocy do zastosowań związanych z gromadzeniem energii, w tym układy scalone do zarządzania energią, połączenia bezprzewodowe i mikrokontrolery. Najnowszy model BQ25570 firmy to wysoce zintegrowany system zbierania energii z rozwiązania do zarządzania energią femto. Spełnia wszystkie normy dotyczące technik zbierania energii oraz wszystkie normy dotyczące zastosowań o ograniczonej mocy.
Urządzenie jest kompaktowe, wykorzystuje pakiet QFN 3.5 x 3.5 mm składający się z 20 wyprowadzeń, prąd statyczny o bardzo niskim poborze mocy wynosi 488 NA (wartość typowa), a tryb transportu to. 1881.5 nd. Ponadto istnieje również moduł ewaluacyjny BQ25570EVM. Szczegółowe informacje o produktach i zastosowaniach można znaleźć w specyfikacji sprzętu i podręczniku użytkownika płytki ewaluacyjnej 2.
Urządzenie nadal wymaga zewnętrznego kondensatora i rezystora, ale dzięki wysokiej integracji może zminimalizować potrzebę dodatkowego wyposażenia. Urządzenie idealnie nadaje się do bezprzewodowych sieci czujników o surowych wymaganiach dotyczących mocy i eksploatacji, wdrażając ładowarkę doładowującą z modulacją częstotliwości impulsów o wysokiej energii (PFM) i rozwiązania femto-power buck. Patrz rysunek 2 poniżej: Urządzenie może być używane w połączeniu z różnymi źródłami energii o wysokiej impedancji, w tym z generatorami fotowoltaicznymi (słonecznymi), termoelektrycznymi (TEG) oraz prostownikami AC/DC i generatorami piezoelektrycznymi. Od stanu zimnego startu minimalne napięcie przetwornicy DC / DC boost / ładowarki urządzenia wynosi 330 mV. Jego hipoteza opiera się na: na wejściu zasilacza jest co najmniej 5 μW (typowo), a na wyjściu przetwornika obciążenia jest prąd upływu mniejszy niż 1 μA (wliczając prąd upływu elementu magazynującego). Jednak napięcie wyjściowe przetwornicy podwyższającej po uruchomieniu osiąga 1.8 V, a wymagane dla urządzenia napięcie 100 MV można uzyskać ze źródła odbioru energii.
Konwerter buck jest najpierw uzyskiwany z wyjścia konwertera podwyższającego, aby uzyskać moc wejściową, a następnie wykonuje proces obniżania, a na końcu zapewnia napięcie regulacji dla pinu wyjściowego. Przetwornica buck wykorzystuje sterowanie PFM do regulacji napięcia, aby było ono zbliżone do wartości ustawionej przez programowalny dzielnik napięcia rezystora. Prąd płynący przez cewkę indukcyjną jest kontrolowany przez wewnętrzny obwód wykrywania prądu. Od momentu dostarczenia czas wynosi około 100 ms, z trybu czuwania startuje szybciej, ale zależy to od wielkości kondensatora wyjściowego.
BQ25570 może być używany z różnymi urządzeniami do przechowywania, w tym kondensatorami, superkondensatorami, bateriami litowo-jonowymi i innymi bateriami chemicznymi. Gdy system jest w trybie niskiego poboru mocy lub w trybie uśpienia, kolektor zapewni wystarczającą ilość energii elektrycznej do naładowania elementu magazynującego. Gdy kolektor energii nie działa, bateria lub kondensator muszą mieć wystarczającą moc, aby zasilić całe obciążenie systemu. Do filtrowania prądu impulsowego ładowarki przełączającej PFM wymagany jest równoważny kondensator o pojemności 100 μF.
Według podręcznika użytkownika TI, główna różnica między akumulatorem a superkondensatorem polega na tym, że w akumulatorze jest ich niewiele, a nawet mniej niż pewna wartość napięcia, a ponadto jest superkondensator. Projektanci systemów muszą pamiętać, że występuje znaczny prąd upływu, który jest równoważny obciążeniu DC na wyjściu przetwornika podwyższającego.
Śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT) odnosi się do najpotężniejszej energii i zarządzania ogniwem fotowoltaicznym (70 do 80%) i TEG (50%). Inne funkcje, którymi dysponuje sprzęt zasilany bateryjnie z zarządzaniem wysoką wydajnością energetyczną obejmują: ochronę akumulatora przed przepięciem i podnapięciem, automatyczne wyłączenie termiczne akumulatora litowo-jonowego. Dokładne monitorowanie stanu baterii to kolejna ważna funkcja. Jeżeli system może wejść w stan podnapięciowy, konieczne jest również wyzwolenie funkcji spadku prądu obciążenia.
Wyposażenie alternatywne i wyposażenie uzupełniające Funkcje BQ25504 i BQ25505 uruchomione przez Ti są podobne, ale prąd spoczynkowy jest mniejszy niż 325 NA. Oba urządzenia są wyposażone w autonomiczny, uniwersalny sterownik bramki multipleksera, po uruchomieniu, który umożliwia systemowi pozyskiwanie energii ze źródeł poboru energii i baterii galwanicznych, zapewniając stałe zasilanie w razie potrzeby, nawet gdy kolektor nie jest dostępny. również działają poprawnie. Bardzo niski prąd statyczny jest bardzo ważny, gdy system nie może się wyłączyć, dzięki czemu można przedłużyć żywotność baterii.
Jeśli rozmiar i waga stanowią problem, firma TI zaleca BQ25100, czyli liniową ładowarkę akumulatorów o mniejszej mocy, szczególnie odpowiednią do pojedynczych przycisków litowo-jonowych. Urządzenie jest zamknięte w obudowie WCSP 0.9 x 1.6 mm, obsługuje napięcie wejściowe do 30 V, co pozwala na dokładne sterowanie prądem szybkiego ładowania w zakresie od 10 mA do 250 mA.
Uzupełniające wyposażenie moduły konwerterów buck TPS82740A i TPS8274B obsługują prąd wyjściowy 200 mA, wydajność konwersji wynosi aż 95%, zużyty prąd spoczynkowy wynosi tylko 360 NA, a 70 NA to 70 NA. Opakowanie 6.7 mm2 zawiera regulator przełączający, cewkę indukcyjną i kondensator we/wy. Dzięki integracji wszystkich niezbędnych urządzeń pasywnych objętość urządzenia jest o 75% mniejsza niż w przypadku tego samego dyskretnego rozwiązania. TPS82740A to aplikacja o bardzo niskim napięciu, a TPS8274B ma funkcję „DCS Control”, która jest odpowiednia do zarządzania energią, taką jak Ti, na przykład Ti. Seria MSP430.
Podsumowując Aby wybrać przenośną aplikację technologii gromadzenia energii, należy wybrać odpowiedni układ scalony zarządzania energią, należy dokładnie rozważyć wymagania dotyczące mocy systemu, potencjał wytwarzania energii i pojemność magazynowania energii. Na dolnych krańcach zakresu mocy (takich jak bezprzewodowe węzły czujnikowe) lub jeśli energia generowana przez TEG jest bardzo mała, wybór urządzenia jest bardziej ograniczony. Jeśli mały rozmiar i niewielka waga są priorytetem, wybierz wyższą integrację, na przykład kilka z tego artykułu, być może najlepsze rozwiązanie.
Nasze inne produkty:
