Energijos surinkimas daugiausia vertinamas kaip elektros energijos tiekimo būdas elektroniniams įrenginiams, kuriuos reikia prijungti prie maitinimo šaltinio arba ne akumuliatoriaus. Daugeliu atvejų programose, kuriose naudojamos energijos kolekcijos, dažnai nėra pakankamai vietos dideliems kiekiams. Tipiški pavyzdžiai yra nešiojamos technologijos, pvz., kūno rengybos įtaisai ir sveikatos stebėjimo įrenginiai, taip pat belaidžių jutiklių mazgai, pvz., aplinkos ar struktūrinės būklės stebėjimo programos.
Paprastai energija, surinkta iš aplinkos energijos šaltinių, tokių kaip saulės energija, vibracija ar temperatūros skirtumai, turi būti efektyviai panaudota po perėjimo, padidinimo ir laikino saugojimo. Šiuo metu daugėja įmonių, kurias pradėjo naudoti energijos surinkimo programėlės ir maitinimo valdymo integriniai grandynai. Tačiau susiduriama su spaudimu, siekiant užtikrinti, kad šie įrenginiai būtų labai integruoti, kad palengvintų daugiafunkcinį veikimą, o dydis turėtų būti kuo mažesnis. Neabejotina, kad pačios įrangos energijos suvartojimas yra labai mažas.
Šiame straipsnyje bus aprašyti greitai dėvimos elektroninės įrangos rinkų ir su ja susijusių programų miniatiūrizavimo poreikiai, o neseniai aptartas BQ25570 įkroviklis su integruotais keitikliais ir panašių alternatyvų bei papildomų komponentų serija. Šiame straipsnyje bus remiamasi TI vartotojo vadovu, paaiškinama, kaip efektyviai naudoti įrenginį, kad būtų itin maža galia, erdvės / svorio riba.
Daugiau funkcijų Šiandien vis dažniau nešiojami prietaisai seka kūno rengybos planą, kad būtų galima stebėti sveikatos būklę ir teikti sveikatos priežiūros sąlygas bei teikti medicinos paslaugas. Kaip ir dauguma nešiojamų prietaisų, ši tendencija paskatins įrangos funkcijų didėjimą, kurių tikisi vartotojai. Jei GPS įrenginys yra integruotas į širdies ritmo monitorių, sekite įrašymo žiedo numerį arba bėgimo maršrutą, širdies ritmo monitorius bus palankesnis. Šiuo metu šiuolaikinė nešiojama sveikatos stebėjimo įranga gali stebėti kraujospūdį, kūno temperatūrą, deguonies kiekį kraujyje, širdies ritmą ir aktyvumą.
1 pav. Energijos surinkimas bus pagrindinės technologijos daugelyje nešiojamų elektroninių prietaisų.
Kairėje: „Sensoria“ išmaniosios kojinės su slėgio jutikliais gali susisiekti su pėdų žiedais per „Bluetooth“, kad padėtų nustatyti ir pagerinti bėgimo pozas (kulnas / pėda). Kiti jutikliai gali sekti rekordus, greitį, suvartojamas kalorijas, aukštį ir atstumus.
Dešinėje: Fraunhoferio instituto moksliniai tyrimai ir plėtra Nešiojama pagalbinė įranga, skirta pagyvenusių žmonių grupei, gali teikti daugybę programuojamų paslaugų, pavyzdžiui, priminti apie narkotikus, stebėti sveikatos būklę ir iškviesti greitąją pagalbą.
Belaidis ryšys leidžia lengvai perkelti ir saugoti surinktus duomenis vėlesnei analizei. Belaidžiai jutiklių tinklai, kaip daiktų interneto dalis, yra būtini tokiose programose kaip išmanieji pastatai ir aplinkos stebėjimas, todėl turi būti kaupiami daugelio šių programų jutiklių duomenys. Dėl šios priežasties integruoti jutikliai, radijo dažnio grandinės ir tikslesni mikrovaldikliai vis dažniau naudojami išmaniuosiuose laikrodžiuose, biometriniuose monitoriuose, ID žymų gaminiuose, jutiklių mazguose ir kitose nešiojamose ar nuotolinėse programose.
Tačiau tokiems daugiafunkciams įrenginiams turėtų būti teikiama pirmenybė, išskyrus pagrįstą baterijos veikimo laiką, jiems taip pat reikia lengvo svorio, mažo dydžio ir patogumo. Dizaineriai panaudojo energijos surinkimo metodus, kad efektyviai panaudotų aplinkos energiją, pvz., kūno šilumą ar žingsnius, kad akumuliatorius ir toliau būtų įkraunamas. Tam tikruose įrenginiuose (pvz., implantuotuose įrenginiuose) surinkta energija yra vienintelis energijos šaltinis.
Todėl energijos surinkimą galima vertinti kaip erdvinę praktinę technologiją, kuri gali būti naudojama alternatyva akumuliatoriui ir galinti pasiekti mažesnį įkraunamos baterijos tūrį. Bet kuriam įrenginiui, kuris maitinamas iš baterijos arba tiekiamos energijos, energijos valdymas yra labai svarbus. Norint užtikrinti optimalų našumą ir didelio efektyvumo operacijas naudojant daug energijos, dažniausiai nereguliarus maitinimo šaltinis, reikalingas tam tikras tikslumas ir tikslumas. Daugelis IC gamintojų nusitaikė į šią rinką, įskaitant Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics ir Texas Instruments.
Palyginti su senos kartos galia, naujos kartos maitinimo šaltiniai yra didesni, tūris mažesnis, o energijos sąnaudos mažesnės. Teoriškai įrenginys gaus gautą energiją, o vėliau konvertuos ir (arba) padidins, o galiausiai tieks ją tiesiai į sistemą arba įkraunamą energijos kaupiklį. Kai kurie dizainai gali būti skirti tam tikro tipo energijos kaupimo įrenginiams, tokiems kaip superkondensatorius arba ličio jonų mygtukas. Taip pat yra ir kitų konstrukcijų, palaikančių kelis energijos kaupimo įrenginius. Panašiai kai kurie dizainai gali būti skirti tam tikrai energijos surinkimo formai, o yra kitų konstrukcijų, palaikančių kelias energijos formas.
Reikėtų atkreipti dėmesį į paleidimo įtampą, reikalingą įvairioms programoms. Kai kurios programos paleidžiamos iki 20 mV, tačiau funkcionalumas gali būti ribotas, todėl norint užtikrinti pakankamą galios valdymą, reikia papildomų papildomų komponentų. Didesnės integracijos komponentai gali būti mažesnio dydžio, o bendra statinė srovė mažesnė, tačiau gali prireikti didesnės paleidimo įtampos, kad ji labiau priklausytų nuo žemiausio saugojimo energijos lygio. Kai kurie įrenginiai yra labai tikslingi, skirti itin mažos galios jutiklių mazgams. Kiti įrenginiai palaikys aukštesnius įvesties įtampos lygius, kad atitiktų reikalavimus, pagrįstus mikrovaldiklio įranga, tačiau energijos surinkimo programoms šie mikro įrenginiai yra labai žemi.
Svarbu, kad galios valdymo IC turi būti pakankamai lankstus, kad galėtų valdyti pertraukiamą galią ir surinktą energiją (dažnai nestabili ir dažnai renkama kiekį). Į tai reikia atsižvelgti projektuojant sistemą, ty pakankamai energijos kaupimo pajėgumų, esant poreikiui galima tiekti nuolatinę elektros energiją. Tai labai priklauso nuo jutiklio skaitymo dažnio ir duomenų perdavimo kiekio bei perdavimo dažnio.
Aukštos integracijos „Texas INSTRUMENTS“ siūlo įvairius itin mažos galios mikro įrenginius, skirtus energijos rinkimo programoms, įskaitant energijos valdymo IC, belaidžius ryšius ir mikrovaldiklius. Naujausias bendrovės BQ25570 yra aukštos integruotos femto energijos valdymo sprendimo energijos rinkinys. Jis atitinka visus energijos surinkimo technikos standartus ir visus ribotos galios taikomųjų programų standartus.
Įrenginys yra kompaktiškas, naudojant 3.5 x 3.5 mm QFN paketą iš 20 laidų, ypač mažos galios statinė srovė yra 488 NA (tipinė vertė), o transportavimo režimas yra. 1881.5 NA. Be to, yra BQ25570EVM vertinimo modulis. Išsamią informaciją apie gaminius ir pritaikymą rasite įrangos specifikacijoje ir vertinimo lentos vartotojo vadove 2.
Prietaisui vis tiek reikalingas išorinis kondensatorius ir rezistorius, tačiau dėl didelės integracijos jis gali sumažinti papildomos įrangos poreikį. Aparatas idealiai tinka belaidžiams jutiklių tinklams, kuriems taikomi griežti galios ir eksploataciniai reikalavimai, įgyvendinant didelės energijos impulsinio dažnio moduliavimo (PFM) įkroviklio ir femto galios keitiklio sprendimus. Žr. 2 pav. toliau: Aparatas gali būti naudojamas kartu su įvairia didelės varžos energija, įskaitant fotovoltinę (saulės energiją), termoelektrinį generatorių (TEG) ir kintamosios srovės / nuolatinės srovės lygintuvą bei pjezoelektrinius generatorius. Iš šalto paleidimo būsenos įrenginio DC / DC padidinimo keitiklio / įkroviklio minimali įtampa yra 330 mV. Jo hipotezė grindžiama: įvesties maitinimo šaltinis suteikia ne mažiau kaip 5 μW (tipiškai), o apkrovos keitiklio išėjimas yra mažesnis nei 1 μA nuotėkio srovė (įskaitant saugojimo elemento nuotėkio srovę). Tačiau paleidimo keitiklio išėjimo įtampa pasiekia 1.8 V, o įrenginiui reikalingą 100 MV įtampą galima gauti iš energijos surinkimo šaltinio.
Pagreičio keitiklis pirmiausia gaunamas iš padidinimo keitiklio išvesties, kad būtų gauta įvesties galia, o tada atlieka sumažinimo procesą ir galiausiai suteikia išvesties kaiščio reguliavimo įtampą. „Buck“ keitiklis naudoja PFM valdymą, kad sureguliuotų įtampą, kad ji būtų artima vartotojo programuojamo rezistoriaus įtampos daliklio nustatytai vertei. Srovę per induktorių valdo vidinė srovės aptikimo grandinė. Nuo pristatymo režimo laikas yra apie 100 ms, iš budėjimo režimo įsijungia greičiau, tačiau tai priklauso nuo išėjimo kondensatoriaus dydžio.
BQ25570 gali būti naudojamas su įvairiais saugojimo įrenginiais, įskaitant kondensatorius, superkondensatorius, ličio jonų baterijas ir kitas chemines baterijas. Kai sistema veikia mažos galios arba miego režimu, kolektorius tieks pakankamai elektros energijos kaupimo elementui įkrauti. Kai energijos kolektorius neveikia, baterija arba kondensatorius turi turėti pakankamai galios, kad maitintų visą sistemos apkrovą. Norint filtruoti PFM perjungiamojo įkroviklio impulsinę srovę, reikalingas lygiavertis 100 μF talpos kondensatorius.
Remiantis TI vartotojo vadovu, pagrindinis skirtumas tarp baterijos ir superkondensatoriaus yra tas, kad baterijoje jų yra mažai, o net mažesnė nei tam tikras įtampos kiekis, be to, yra superkondensatorius. Sistemos projektuotojai turi atkreipti dėmesį į tai, kad yra didelė nuotėkio srovė, kuri yra lygi nuolatinei keitiklio išėjimo nuolatinei apkrovai.
Maksimalios galios taško sekimas (MPPT) reiškia galingiausią fotovoltinės elemento (70–80 %) ir TEG (50 %) energiją ir valdymą. Kitos baterijomis maitinamos įrangos didelio energijos vartojimo efektyvumo valdymo funkcijos apima: akumuliatoriaus viršįtampio ir žemos įtampos apsaugą, automatinį įkraunamos ličio jonų baterijos terminį išjungimą. Kita svarbi funkcija yra tikslus akumuliatoriaus būsenos stebėjimas. Jei sistema gali pereiti į žemos įtampos būseną, taip pat būtina įjungti apkrovos srovės kritimo funkciją.
Alternatyvi įranga ir papildoma įranga Ti paleistos BQ25504 ir BQ25505 funkcijos yra panašios, tačiau ramybės srovė yra mažesnė nei 325 NA. Abiejuose įrenginiuose yra autonominio maitinimo daugiafunkcio multiplekserio vartų tvarkyklė, kai ji paleidžiama, leidžianti sistemai gauti energiją iš energijos surinkimo šaltinių ir pirminių baterijų, užtikrinant, kad prireikus būtų tiekiama nuolatinė energija, net kai kolektoriaus nėra. taip pat veikia tinkamai. Itin žema statinė srovė yra labai svarbi, kai sistema negali išsijungti, kad būtų galima pratęsti baterijos veikimo laiką.
Jei kyla problemų dėl dydžio ir svorio, TI rekomenduoja BQ25100, kuris yra mažesnės galios linijinis akumuliatoriaus įkroviklis, ypač tinkantis pavieniams ličio jonų mygtukams. Įrenginys yra apgaubtas 0.9 x 1.6 mm WCSP, palaiko iki 30 V įvesties įtampą, todėl greito įkrovimo srovę galima tiksliai valdyti nuo 10 mA iki 250 mA.
Papildomos įrangos TPS82740A ir TPS8274B buck keitiklio moduliai palaiko 200 mA išėjimo srovę, konversijos efektyvumas siekia net 95%, ramybės būsenos srovė sunaudojama tik 360 NA, o 70 NA - 70 NA. 6.7 mm2 pakuotėje yra perjungimo reguliatorius, induktorius ir įvesties / išvesties kondensatorius. Integravus visus reikalingus pasyvius įrenginius, įrenginio tūris yra 75% mažesnis nei toks pats diskretinis sprendimas. TPS82740A yra ypač žemos įtampos programa, o TPS8274B turi „DCS valdymo“ funkciją, kuri tinka energijos valdymui, pvz., Ti, pvz., Ti. MSP430 serija.
pabaiga Norėdami pasirinkti nešiojamąjį energijos surinkimo technologijos pritaikymą, pasirinkite tinkamą galios valdymo IC, turite atidžiai apsvarstyti sistemos galios poreikius, energijos gamybos potencialą ir energijos kaupimo pajėgumus. Esant žemiems galios diapazono galams (pvz., belaidžių jutiklių mazgams) arba jei TEG generuojama energija yra labai maža, įrenginio pasirinkimas yra labiau ribotas. Jei pirmenybė teikiama mažam dydžiui ir lengvam svoriui, galbūt geriausią sprendimą pasirinkite aukštesnę integraciją, pvz., keletą šio straipsnio.
Mūsų kitas produktas:
