Збір енергії в основному розглядається як метод живлення для живлення електронних пристроїв, які потрібно додати до джерела живлення або іншого, ніж акумулятор. У багатьох випадках програми, які використовують збір енергії, часто не мають достатнього простору для розміщення великих обсягів. Типові приклади включають носимі технології, такі як фітнес-гаджети та пристрої моніторингу здоров’я, а також бездротові сенсорні вузли, такі як програми моніторингу стану навколишнього середовища або структури.
Як правило, енергія, зібрана з джерел енергії навколишнього середовища, таких як сонячна енергія, вібрація або перепади температур, повинна бути ефективно використана після переходу, підйому та тимчасового зберігання. Нині кількість компаній, які запускають програми для збору енергії та інтегральних схем керування живленням, дедалі більше зростає. Але необхідно забезпечити, щоб ці пристрої були добре інтегровані, щоб полегшити багатофункціональну роботу, а розмір повинен бути якомога меншим. Безсумнівно, що енергоспоживання самого обладнання дуже низьке.
У цій статті будуть викладені потреби в мініатюризації ринків швидко носимого електронного обладнання та пов’язаних з ними додатків, а також нещодавно обговорюється зарядний пристрій BQ25570 з інтегрованими перетворювачами, а також ряд подібних альтернатив і додаткових компонентів. У цій статті ми будемо посилатися на посібник користувача TI, пояснити, як ефективно використовувати пристрій для ультрацену низької потужності, простору / обмеження ваги.
Більше можливостей Сьогодні все більше носимих пристроїв відстежує фітнес-план для моніторингу стану здоров’я, надання медичних послуг та надання медичних послуг. Як і більшість портативних пристроїв, ця тенденція сприятиме збільшенню функцій обладнання, яке очікують споживачі. Якщо GPS-пристрій інтегровано в монітор серцевого ритму, відстежує номер кільця запису або маршрут бігу, то монітор серцевого ритму буде більш популярним. В даний час сучасне носиме обладнання для моніторингу здоров’я може контролювати кров’яний тиск, температуру тіла, вміст кисню в крові, частоту серцевих скорочень та активність.
Малюнок 1: Збір енергії стане ключовими технологіями в багатьох додатках для носимих електронних пристроїв.
Ліворуч: розумні шкарпетки Sensoria, оснащені датчиками тиску, можуть зв’язуватися з кільцями для ніг через Bluetooth, щоб допомогти ідентифікувати та покращити пози для бігу (п’яти / стопи). Інші датчики можуть відстежувати записи, швидкість, спожиті калорії, висоту та відстань.
Справа: дослідження і розробки Інституту Фраунгофера. Допоміжне обладнання для людей похилого віку може надавати ряд програмованих послуг, таких як прийом нагадувань про наркотики, моніторинг стану здоров’я та виклики екстреної допомоги.
Бездротове з’єднання дозволяє легко передавати та зберігати зібрані дані для подальшого аналізу. Бездротові сенсорні мережі, як частина Інтернету речей, мають важливе значення в таких програмах, як інтелектуальні будівлі та моніторинг навколишнього середовища, і дані від багатьох датчиків у цих програмах мають бути зібрані. Через це інтегровані датчики, радіочастотні схеми та більш точні мікроконтролери все частіше входять в смарт-годинник, біометричний монітор, продукти для ідентифікаційних тегів, сенсорні вузли та інші носії або віддалені програми.
Однак варто віддавати перевагу таким багатофункціональним пристроям, крім розумного терміну служби батареї, він також вимагає невеликої ваги, невеликих розмірів і комфорту. Дизайнери використовували методи збору енергії, щоб ефективно використовувати енергію навколишнього середовища, таку як тепло тіла або кроки, щоб акумулятор продовжував заряджатися. У деяких пристроях (наприклад, імплантованих) зібрана енергія є єдиним джерелом енергії.
Таким чином, збір енергії можна розглядати як просторову практичну технологію, яка може використовуватися як альтернатива батареї та може досягти меншого об’єму акумуляторної батареї. Для будь-якого пристрою, який живиться від батареї або від живлення, управління живленням є дуже важливим. Щоб забезпечити оптимальну продуктивність і високу ефективність операцій за рахунок високого споживання енергії, як правило, нерегулярних джерел живлення, потрібна певна точність і точність. Ряд виробників мікросхем націлені на цей ринок, включаючи Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics і Texas Instruments.
У порівнянні зі старим поколінням блоки живлення нового покоління вищі, обсяг менший, а енергоспоживання менше. Теоретично, пристрій буде отримувати отриману енергію, а потім перетворювати і/або посилювати, і, нарешті, подаватиме її безпосередньо в систему або акумуляторний накопичувач енергії. Деякі конструкції можуть бути присвячені типу пристрою накопичення енергії, такому як суперконденсатор або літій-іонна кнопка. Існують також інші конструкції, які підтримують кілька пристроїв накопичення енергії. Подібним чином, деякі конструкції можуть бути присвячені формі збору енергії, а є інші проекти, які підтримують різні форми енергії.
Важливо звернути увагу на пускову напругу, необхідну для різних застосувань. Деякі програми запускаються до 20 мВ, але функціональність може бути обмежена, і для забезпечення достатнього керування живленням потрібні додаткові додаткові компоненти. Компоненти з більш високою інтеграцією можуть мати менший розмір, а загальний статичний струм менший, але може знадобитися більш висока пускова напруга, щоб зробити його більш залежним від найнижчого рівня накопичуваної енергії. Деякі пристрої дуже цілеспрямовані, призначені для датчиків із наднизькою потужністю. Інші пристрої підтримуватимуть більш високі рівні вхідної напруги, щоб задовольнити вимоги, засновані на обладнанні мікроконтролерів, але для додатків збору енергії ці мікропристрої самі по собі дуже низькі.
Важливо, щоб інтегральна мікросхема керування живленням була достатньо гнучкою, щоб впоратися з переривчастим живленням і зібраною енергією (часто нестабільною і часто збирає велику кількість). Це необхідно враховувати при проектуванні системи, тобто достатньої ємності накопичувача енергії, можна забезпечити постійну електроенергію, коли це необхідно. Це значною мірою залежить від частоти зчитування датчика, обсягу передачі даних і частоти передачі.
Texas INSTRUMENTS з високою інтеграцією пропонує різноманітні мікропристрої з надмалою потужністю для додатків збору енергії, включаючи мікросхеми керування живленням, бездротові з’єднання та мікроконтролери. Останній BQ25570 компанії — це високоінтегрований збір енергії фемто-рішення для керування живленням. Він відповідає всім стандартам щодо техніки збору енергії та всім стандартам для застосування з обмеженою потужністю.
Пристрій компактний, використовує пакет QFN 3.5 x 3.5 мм з 20 відведеннями, статичний струм наднизької потужності становить 488 NA (типове значення), а транспортний режим – це. 1881.5 НА. Крім того, існує також модуль оцінки BQ25570EVM. Для отримання детальної інформації про продукти та застосування, будь ласка, зверніться до специфікації обладнання та посібника користувача для оціночної плати 2.
Для пристрою все ще потрібні зовнішні конденсатор і резистор, але завдяки високій інтеграції він може мінімізувати потребу в додатковому обладнанні. Пристрій ідеально підходить для бездротових сенсорних мереж з жорсткими вимогами до потужності та експлуатації, реалізуючи високоенергетичну частотно-імпульсну модуляцію (PFM) для підсилення зарядного пристрою та рішення для фемто-понижувального перетворювача. Дивіться малюнок 2 нижче. Пристрій можна використовувати в поєднанні з різними джерелами енергії з високим імпедансом, включаючи фотоелектричні (сонячні), термоелектричні генератори (TEG), а також випрямлячі змінного / постійного струму та п'єзоелектричні генератори. У стані холодного запуску мінімальна мінімальна напруга підвищувального перетворювача/зарядного пристрою постійного / постійного струму становить 330 мВ. Його гіпотеза заснована на: вхідний блок живлення забезпечує щонайменше 5 мкВт (типовий), а вихідний струм перетворювача навантаження становить менше 1 мкА струму витоку (включаючи струм витоку накопичувального елемента). Однак вихідна напруга підвищувального перетворювача після роботи досягає 1.8 В, а напругу 100 МВ, необхідну для пристрою, можна отримати від джерела збору енергії.
Понижуючий перетворювач спочатку отримується з виходу підвищувального перетворювача для отримання вхідної потужності, а потім виконує процес зниження і, нарешті, забезпечує напругу регулювання для вихідного висновку. Понижуючий перетворювач використовує керування PFM для регулювання напруги, щоб наблизити її до значення, встановленого резистором, що програмується користувачем. Струм через індуктивність контролюється внутрішньою схемою визначення струму. З моменту виходу в режим подачі час приблизно 100 мс, з режиму очікування запускається швидше, але це залежить від розміру вихідного конденсатора.
BQ25570 можна використовувати з різними пристроями зберігання даних, включаючи конденсатори, суперконденсатори, літій-іонні батареї та інші хімічні акумулятори. Коли система перебуває в режимі низької потужності або в режимі сну, колектор забезпечить достатню електричну енергію для зарядки накопичувального елемента. Коли енергетичний колектор не працює, батарея або конденсатор повинні мати достатню потужність для живлення всього навантаження системи. Для фільтрації імпульсного струму комутаційного зарядного пристрою PFM потрібен еквівалентний накопичувальний елемент ємністю 100 мкФ.
Згідно з посібником користувача TI, головна відмінність між акумулятором і суперконденсатором полягає в тому, що в батареї небагато, і навіть менше певної кількості напруги, а є суперконденсатор. Розробники системи повинні зазначити, що існує значний струм витоку, який еквівалентний навантаженню постійного струму на виході підвищувального перетворювача.
Відстеження максимальної точки потужності (MPPT) відноситься до найпотужнішої енергії та управління фотоелементом (70-80%) і TEG (50%). До інших функцій обладнання, що живиться від батареї, відноситься управління високою енергоефективністю: захист від перенапруги і зниження напруги акумулятора, автоматичне теплове відключення літій-іонного акумулятора. Точний моніторинг стану акумулятора – ще одна важлива функція. Якщо система може перейти в стан низької напруги, необхідно також запустити функцію падіння струму навантаження.
Альтернативне обладнання та додаткове обладнання Функції BQ25504 і BQ25505, запущені Ti, схожі, але струм спокою менше 325 NA. Обидва пристрої оснащені автономним силовим багатоцільовим мультиплексорним драйвером затвора після запуску, що дозволяє системі отримувати енергію від джерел збору енергії та первинних батарей, забезпечуючи постійне живлення, коли це необхідно, навіть коли колектор недоступний. також працюють належним чином. Наднизький статичний струм дуже важливий, коли система не може вимкнутися, щоб можна було продовжити термін служби батареї.
Якщо розмір і вага є проблемою, TI рекомендує BQ25100, який є лінійним зарядним пристроєм з меншою потужністю, особливо підходить для окремих літій-іонних кнопок. Пристрій інкапсульований в WCSP 0.9 x 1.6 мм, підтримує вхідну напругу до 30 В, що дозволяє точно контролювати струм швидкої зарядки в межах від 10 мА до 250 мА.
Додаткове обладнання модулі понижувальних перетворювачів TPS82740A і TPS8274B підтримують вихідний струм 200 мА, ефективність перетворення досягає 95%, споживаний струм спокою становить лише 360 NA, а 70 NA – 70 NA. Корпус 6.7 мм2 містить перемикаючий стабілізатор, індуктивність і конденсатор введення-виводу. Завдяки інтеграції всіх необхідних пасивних пристроїв обсяг пристрою на 75% менший, ніж у того ж дискретного рішення. TPS82740A – це додаток із наднизькою напругою, а TPS8274B має функцію «DCS Control», яка підходить для керування живленням, наприклад Ti, наприклад, Ti. Серія MSP430.
на завершення Щоб вибрати портативне застосування технології збору енергії, вибрати відповідну мікросхему керування живленням, потрібно уважно розглянути вимоги до потужності системи, потенціал виробництва енергії та ємність накопичення енергії. На нижніх кінцях діапазону потужності (наприклад, бездротові сенсорні вузли) або якщо енергія, що генерується TEG, дуже мала, вибір пристрою більш обмежений. Якщо малий розмір і мала вага є найкращим пріоритетом, тоді виберіть більш високу інтеграцію, як-от кілька з цієї статті, можливо, найкраще рішення.
Наш інший продукт:
