Zbiranje energije se v glavnem obravnava kot način oskrbe z električno energijo za napajanje elektronskih naprav, ki jih je treba dodati napajanju ali razen baterije. V mnogih primerih aplikacije, ki uporabljajo zbiranje energije, pogosto nimajo dovolj prostora za sprejem velikih količin. Tipični primeri vključujejo nosljive tehnologije, kot so pripomočki za fitnes in naprave za spremljanje zdravja, pa tudi brezžična senzorska vozlišča, kot so aplikacije za spremljanje stanja okolja ali strukture.
Običajno je treba energijo, zbrano iz okoljskih virov energije, kot so sončna energija, vibracije ali temperaturne razlike, učinkovito uporabiti po prehodu, povečanju in začasnem skladiščenju. Dandanes se številna podjetja, ki jih lansirajo aplikacije za zbiranje energije in integrirana vezja za upravljanje porabe, vse bolj povečujejo. Vendar se sooča s pritiskom, da se zagotovi, da so te naprave visoko integrirane za olajšanje večfunkcijskega delovanja, velikost pa mora biti čim manjša. Ni dvoma, da je poraba energije same opreme zelo nizka.
Ta članek bo opisal potrebe po miniaturizaciji trgov hitro nosljive elektronske opreme in z njimi povezanih aplikacij ter nedavno razpravljal o pospeševalnem polnilniku BQ25570 z integriranimi pretvorniki in vrsti podobnih alternativ in komplementarnih komponent. Ta članek se bo skliceval na uporabniški priročnik TI, razložil, kako učinkovito uporabljati napravo za ultracen nizko porabo, prostor / omejitev teže.
Več funkcij Danes je vse bolj nosljivih naprav, ki spremljajo načrt fitnesa za spremljanje zdravstvenega stanja in zagotavljanje zdravstvenih pogojev ter zagotavljanje zdravstvenih storitev. Kot večina prenosnih naprav bo ta trend spodbudil povečanje funkcij opreme, ki jih pričakujejo potrošniki. Če je naprava GPS integrirana v merilnik srčnega utripa, sledite številki snemalnega obroča ali tekaški poti, bo merilnik srčnega utripa bolj priročen. Trenutno lahko sodobna nosljiva oprema za spremljanje zdravja spremlja krvni tlak, telesno temperaturo, vsebnost kisika v krvi, srčni utrip in aktivnost.
Slika 1: Zbiranje energije bo ključne tehnologije v številnih aplikacijah nosljivih elektronskih naprav.
Levo: pametne nogavice Sensoria, opremljene s senzorji tlaka, lahko komunicirajo s stopalnimi obroči prek Bluetooth, da pomagajo prepoznati in izboljšati položaj pri teku (peta/noga). Drugi senzorji lahko spremljajo zapise, hitrost, porabo kalorij, višine in razdalje.
Desno: Fraunhofer Institute R & R Nosljiva pomožna oprema za starejše skupine lahko nudi vrsto programiranih storitev, kot so opomniki o drogah, spremljanje zdravja in klici na pomoč v sili.
Brezžična povezava omogoča enostaven prenos in shranjevanje zbranih podatkov za kasnejšo analizo. Brezžična senzorska omrežja kot del interneta stvari so bistvena v aplikacijah, kot so inteligentne zgradbe in spremljanje okolja, zato je treba v teh aplikacijah zbrati podatke iz številnih senzorjev. Zaradi tega so integrirani senzorji, radiofrekvenčna vezja in natančnejši mikrokrmilniki vse pogosteje v pametnih urah, biometričnih monitorjih, izdelkih z ID oznakami, senzorskih vozliščih in drugih nosljivih ali oddaljenih aplikacijah.
Vendar pa je treba dati prednost takšnim večnamenskim napravam, razen razumne življenjske dobe baterije, zahteva tudi majhno težo, majhnost in udobje. Oblikovalci so uporabili tehnike zbiranja energije za učinkovito izrabo okoljske energije, kot so telesna toplota ali koraki, tako da se baterija še naprej polni. V nekaterih napravah (kot so implantirane naprave) je zbrana energija edini vir energije.
Zato je zbiranje energije mogoče razumeti kot prostorsko praktično tehnologijo, ki se lahko uporablja kot alternativa bateriji in lahko doseže manjšo količino polnilne baterije. Za vsako napravo, ki jo napaja baterija ali dobavljena energija, je upravljanje porabe zelo pomembno. Za zagotavljanje optimalne zmogljivosti in visoke učinkovitosti delovanja z veliko porabo energije, običajno nepravilnega napajanja, je potrebna določena natančnost in natančnost. Na ta trg so se usmerili številni proizvajalci IC, vključno z Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics in Texas Instruments.
V primerjavi s staro generacijo električne energije je nova generacija napajalnikov večja, prostornina je manjša, poraba energije pa nižja. V teoriji bo naprava dobila nastalo energijo, nato pa jo bo pretvorila in/ali povečala ter jo na koncu dovajala neposredno v sistem ali napravo za shranjevanje energije za ponovno polnjenje. Nekateri modeli so lahko namenjeni vrsti naprave za shranjevanje energije, kot je superkondenzator ali litij-ionski gumb. Obstajajo tudi drugi modeli, ki podpirajo več naprav za shranjevanje energije. Podobno so lahko nekateri dizajni namenjeni obliki zbiranja energije, obstajajo pa tudi drugi modeli, ki podpirajo več oblik energije.
Opozoriti je treba na zagonsko napetost, ki je potrebna za različne aplikacije. Nekatere aplikacije se zaženejo na 20 mV, vendar je funkcionalnost lahko omejena, zato so potrebne dodatne komplementarne komponente za zagotavljanje zadostnega upravljanja porabe. Komponente z višjo integracijo imajo lahko manjšo velikost in celoten statični tok je nižji, vendar bo morda potrebna višja zagonska napetost, da bo bolj odvisna od najnižje ravni energije za shranjevanje. Nekatere naprave so zelo ciljno usmerjene, namenjene senzorskim vozliščem z izjemno nizko močjo. Druge naprave bodo podpirale višje ravni vhodne napetosti, da bi izpolnile zahteve, ki temeljijo na opremi mikrokrmilnikov, vendar so za aplikacije za zbiranje energije same te mikro naprave zelo nizke.
Pomembno je, da mora biti IC za upravljanje porabe dovolj prilagodljiv, da obvladuje občasno moč in zbrano energijo (pogosto nestabilno in pogosto zbira količino). To je treba upoštevati pri načrtovanju sistema, torej dovolj zmogljivosti za shranjevanje energije, možno je zagotoviti stalno elektriko, kadar je to potrebno. To je v veliki meri odvisno od frekvence branja senzorja ter količine prenosa podatkov in frekvence prenosa.
Visoka integracija Texas INSTRUMENTS ponuja vrsto mikro naprav z izjemno nizko porabo za aplikacije za zbiranje energije, vključno z IC za upravljanje porabe, brezžičnimi povezavami in mikrokrmilniki. Najnovejši BQ25570 podjetja je visoko integrirano zbiranje energije femto rešitve za upravljanje porabe. Izpolnjuje vse standarde s tehnikami zbiranja energije in vse standarde za aplikacije z omejeno močjo.
Naprava je kompaktna, uporablja paket QFN 3.5 x 3.5 mm z 20 vodniki, statični tok ultra nizke moči je 488 NA (tipična vrednost), način transporta pa je. 1881.5 NA. Poleg tega je na voljo tudi ocenjevalni modul BQ25570EVM. Za podrobne informacije o izdelkih in uporabi glejte specifikacijo opreme in uporabniški priročnik 2.
Naprava še vedno potrebuje zunanji kondenzator in upor, vendar zaradi visoke integracije lahko zmanjša potrebo po dodatni opremi. Aparat je idealen za brezžična senzorska omrežja s težkimi zahtevami glede moči in delovanja, z izvajanjem visokoenergijske pulzno frekvenčne modulacije (PFM) in rešitve femto power buck pretvornika. Glejte sliko 2 spodaj: Aparat se lahko uporablja v povezavi z vrsto energije z visoko impedanco, vključno s fotovoltaičnimi (sončnimi), termoelektričnimi generatorji (TEG) ter AC/DC usmerniki in piezoelektričnimi generatorji. Od stanja hladnega zagona je minimalna napetost pospeševalnega pretvornika/polnilnika DC/DC naprave 330 mV. Njegova hipoteza temelji na: vhodni napajalnik zagotavlja najmanj 5 μW (običajno), izhodni obremenitveni pretvornik pa je manjši od 1 μA toka uhajanja (vključno s tokom uhajanja elementa za shranjevanje). Vendar pa izhodna napetost ojačevalnega pretvornika po delovanju doseže 1.8 V, napetost 100 MV, ki je potrebna za napravo, pa se lahko pridobi iz vira zbiranja energije.
Zmanjšani pretvornik se najprej pridobi iz izhoda ojačevalnega pretvornika za pridobitev vhodne moči, nato pa izvede postopek znižanja in končno zagotovi prilagoditveno napetost za izhodni zatič. Zmanjšani pretvornik uporablja krmiljenje PFM za prilagoditev napetosti, da se omogoči blizu vrednosti, ki jo nastavi uporabniško programirljivi uporni napetostni delilnik. Tok skozi induktor nadzira notranje vezje za zaznavanje toka. Od trenutka dostave je čas približno 100 ms, iz stanja pripravljenosti se začne hitreje, vendar je to odvisno od velikosti izhodnega kondenzatorja.
BQ25570 se lahko uporablja z različnimi napravami za shranjevanje, vključno s kondenzatorji, superkondenzatorji, litij-ionskimi baterijami in drugimi kemičnimi baterijami. Ko je sistem v načinu nizke porabe ali stanju mirovanja, bo kolektor zagotovil dovolj električne energije za polnjenje elementa za shranjevanje. Ko zbiralnik energije ne deluje, mora imeti baterija ali kondenzator zadostno moč za napajanje celotne obremenitve sistema. Za filtriranje impulznega toka preklopnega polnilnika PFM je potreben enakovredni kondenzator 100 μF.
Glede na uporabniški priročnik TI je glavna razlika med baterijo in superkondenzatorjem ta, da jih je v bateriji malo in celo manj od določene napetosti in je superkondenzator. Oblikovalci sistemov morajo upoštevati, da obstaja znaten tok uhajanja, ki je enakovreden enosmerni obremenitvi na izhodu ojačevalnega pretvornika.
Sledenje maksimalne moči (MPPT) se nanaša na najmočnejšo energijo in upravljanje fotovoltaične celice (70 do 80 %) in TEG (50 %). Druge funkcije, ki jih baterija napaja oprema z visoko energijsko učinkovitostjo, vključuje: zaščito pred prenapetostjo in prenizko napetostjo baterije, samodejno toplotno izklop litij-ionske baterije za ponovno polnjenje. Natančno spremljanje stanja baterije je še ena pomembna lastnost. Če sistem lahko preide v podnapetostno stanje, je treba sprožiti tudi funkcijo padca toka obremenitve.
Nadomestna oprema in dodatna oprema Funkciji BQ25504 in BQ25505, ki ju je uvedel Ti, sta podobni, vendar je tok mirovanja manjši od 325 NA. Obe napravi sta po zagonu opremljeni z avtonomnim močnostnim večnamenskim multiplekserskim gonilnikom vrat, ki omogoča sistemu pridobivanje energije iz virov zbiranja energije in primarnih baterij, kar zagotavlja konstantno napajanje, kadar je to potrebno, tudi če kolektor ni na voljo. tudi pravilno delujejo. Zelo nizek statični tok je zelo pomemben, če se sistem ne more izklopiti, tako da se lahko podaljša življenjska doba baterije.
Če sta velikost in teža problem, TI priporoča BQ25100, ki je linearni polnilnik baterij z manjšo močjo, še posebej primeren za posamezne litij-ionske gumbe. Naprava je zaprta z 0.9 x 1.6 mm WCSP, podpira do 30 V vhodno napetost, kar omogoča natančno nadzorovanje hitrega polnilnega toka v območju od 10 mA do 250 mA.
Komplementarna oprema TPS82740A in TPS8274B pretvorniška modula podpirata 200 mA izhodni tok, učinkovitost pretvorbe je kar 95%, porabljeni tok mirovanja je le 360 NA, 70 NA pa 70 NA. Paket 6.7 mm2 vsebuje preklopni regulator, induktor in V/I kondenzator. Z integracijo vseh potrebnih pasivnih naprav je prostornina naprave 75 % manjša od enake diskretne rešitve. TPS82740A je ultra nizkonapetostna aplikacija, TPS8274B pa ima funkcijo "DCS Control", ki je primerna za upravljanje porabe energije, kot je Ti, na primer Ti. Serija MSP430.
za zaključek Če želite izbrati prenosno aplikacijo tehnologije zbiranja energije, izbrati ustrezno IC za upravljanje porabe energije, morate skrbno pretehtati zahteve po moči sistema, potencial za proizvodnjo energije in zmogljivost shranjevanja energije. Na nizkih koncih razpona moči (kot so brezžična senzorska vozlišča) ali če je energija, ki jo ustvari TEG, zelo majhna, je izbira naprave bolj omejena. Če sta majhna velikost in majhna teža najboljša prednost, izberite višjo integracijo, kot je več v tem članku, kar je morda najboljša rešitev.
Naš drugi izdelek:
