Η συλλογή ενέργειας θεωρείται κυρίως ως μέθοδος παροχής ρεύματος για την τροφοδοσία των ηλεκτρονικών συσκευών που πρέπει να προστεθούν στο τροφοδοτικό ή εκτός της μπαταρίας. Σε πολλές περιπτώσεις, οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν συλλογές ενέργειας συχνά δεν έχουν επαρκή χώρο για να φιλοξενήσουν μεγάλους όγκους. Τυπικά παραδείγματα περιλαμβάνουν τεχνολογίες που φοριούνται, όπως gadget γυμναστικής και συσκευές παρακολούθησης της υγείας, καθώς και ασύρματους κόμβους αισθητήρων, όπως εφαρμογές παρακολούθησης περιβαλλοντικής ή δομικής κατάστασης.
Συνήθως, η ενέργεια που συλλέγεται από περιβαλλοντικές πηγές ενέργειας, όπως η ηλιακή ενέργεια, οι κραδασμοί ή οι διαφορές θερμοκρασίας, πρέπει να αξιοποιηθεί αποτελεσματικά μετά τη μετάβαση, την ενίσχυση και την προσωρινή αποθήκευση. Σήμερα, ένας αριθμός εταιρειών που λανσαρίστηκαν από τις εφαρμογές συλλογής ενέργειας και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα διαχείρισης ενέργειας αυξάνονται ολοένα και περισσότερο. Ωστόσο, η πίεση αντιμετωπίζεται, ώστε να διασφαλιστεί ότι αυτές οι συσκευές είναι εξαιρετικά ενσωματωμένες για να διευκολύνουν τη λειτουργία πολλαπλών λειτουργιών και ότι το μέγεθος θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι η κατανάλωση ενέργειας του ίδιου του εξοπλισμού είναι πολύ χαμηλή.
Αυτό το άρθρο θα περιγράψει τις ανάγκες σμίκρυνσης των αγορών ηλεκτρονικού εξοπλισμού που φοριούνται γρήγορα και τις σχετικές εφαρμογές τους και θα συζητήσει πρόσφατα, τον φορτιστή ενίσχυσης BQ25570 με ενσωματωμένους μετατροπείς buck και μια σειρά από παρόμοιες εναλλακτικές λύσεις και συμπληρωματικά εξαρτήματα. Αυτό το άρθρο θα ανατρέξει στον οδηγό χρήσης του TI, θα εξηγήσει πώς να χρησιμοποιήσετε αποτελεσματικά τη συσκευή για να υπερτονίσετε το όριο χαμηλής ισχύος, χώρου / βάρους.
Περισσότερες δυνατότητες Σήμερα, οι συσκευές που φοριούνται όλο και περισσότερο παρακολουθούν το πρόγραμμα φυσικής κατάστασης για την παρακολούθηση της κατάστασης της υγείας και την παροχή συνθηκών υγειονομικής περίθαλψης και την παροχή ιατρικών υπηρεσιών. Όπως οι περισσότερες φορητές συσκευές, αυτή η τάση θα προωθήσει την αύξηση των λειτουργιών του εξοπλισμού, όπως αναμένουν οι καταναλωτές. Εάν η συσκευή GPS είναι ενσωματωμένη στη συσκευή παρακολούθησης καρδιακών παλμών, παρακολουθείτε τον αριθμό κουδουνίσματος εγγραφής ή τη διαδρομή που τρέχει, η συσκευή παρακολούθησης καρδιακών παλμών θα προτιμηθεί περισσότερο. Επί του παρόντος, ο σύγχρονος φορητός εξοπλισμός παρακολούθησης της υγείας μπορεί να παρακολουθεί την αρτηριακή πίεση, τη θερμοκρασία του σώματος, την περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο αίμα, τον καρδιακό ρυθμό και τη δραστηριότητα.
Εικόνα 1: Η συλλογή ενέργειας θα είναι βασικές τεχνολογίες σε πολλές εφαρμογές φορητών ηλεκτρονικών συσκευών.
Αριστερά: Οι έξυπνες κάλτσες της Sensoria, εξοπλισμένες με αισθητήρες πίεσης, μπορούν να επικοινωνούν με τους δακτυλίους των ποδιών μέσω Bluetooth για να βοηθήσουν στον εντοπισμό και τη βελτίωση των στάσεων τρεξίματος (φτέρνα / πόδι). Άλλοι αισθητήρες μπορούν να παρακολουθούν αρχεία, ταχύτητα, θερμίδες κατανάλωσης, ύψη και αποστάσεις.
Δεξιά: Fraunhofer Institute R & D Ο φορητός βοηθητικός εξοπλισμός για την ομάδα ηλικιωμένων μπορεί να παρέχει μια σειρά προγραμματιζόμενων υπηρεσιών, όπως λήψη υπενθυμίσεων φαρμάκων, παρακολούθηση της υγείας και κλήσεις βοήθειας έκτακτης ανάγκης.
Η ασύρματη σύνδεση καθιστά εύκολη τη μεταφορά και αποθήκευση δεδομένων που συλλέγονται για μεταγενέστερη ανάλυση. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ως μέρος του Διαδικτύου των Πραγμάτων, είναι απαραίτητα σε εφαρμογές όπως τα έξυπνα κτίρια και η παρακολούθηση του περιβάλλοντος, και πρέπει να συγκεντρωθούν δεδομένα από πολλούς αισθητήρες σε αυτές τις εφαρμογές. Εξαιτίας αυτού, ενσωματώνονται αισθητήρες, κυκλώματα ραδιοσυχνοτήτων και πιο ακριβείς μικροελεγκτές σε έξυπνο ρολόι, βιομετρική οθόνη, προϊόντα ετικέτας ID, κόμβους αισθητήρων και άλλες εφαρμογές που φοριούνται ή απομακρυσμένα.
Ωστόσο, τέτοιες συσκευές πολλαπλών λειτουργιών θα πρέπει να προτιμώνται, εκτός από τη λογική διάρκεια ζωής της μπαταρίας, απαιτεί επίσης μικρό βάρος, μικρό μέγεθος και άνεση. Οι σχεδιαστές έχουν χρησιμοποιήσει τεχνικές συλλογής ενέργειας για να αξιοποιήσουν αποτελεσματικά την περιβαλλοντική ενέργεια, όπως τη θερμότητα του σώματος ή τα βήματα, έτσι ώστε η μπαταρία να συνεχίσει να φορτίζει. Σε ορισμένες συσκευές (όπως εμφυτευμένες συσκευές), η συλλεγόμενη ενέργεια είναι η μόνη πηγή ενέργειας.
Επομένως, η συλλογή ενέργειας μπορεί να θεωρηθεί ως μια χωρική πρακτική τεχνολογία που μπορεί να χρησιμοποιηθεί εναλλακτικά της μπαταρίας και μπορεί να επιτύχει μικρότερο όγκο επαναφορτιζόμενης μπαταρίας. Για κάθε συσκευή που τροφοδοτείται από την μπαταρία ή την ενέργεια που παρέχεται, η διαχείριση ενέργειας είναι πολύ σημαντική. Για να εξασφαλιστεί η βέλτιστη απόδοση και οι λειτουργίες υψηλής απόδοσης με υψηλή κατανάλωση ενέργειας, συνήθως ακανόνιστα τροφοδοτικά, απαιτείται συγκεκριμένη ακρίβεια και ακρίβεια. Ορισμένοι κατασκευαστές IC έχουν στοχεύσει αυτήν την αγορά, συμπεριλαμβανομένων των Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics και Texas Instruments.
Σε σύγκριση με την παλιά γενιά ισχύος, η νέα γενιά τροφοδοτικών είναι υψηλότερη, ο όγκος είναι μικρότερος και η κατανάλωση ρεύματος είναι χαμηλότερη. Θεωρητικά, η συσκευή θα λάβει την ενέργεια που προκύπτει, και στη συνέχεια θα μετατρέψει ή/και θα ενισχύσει και τελικά θα την τροφοδοτήσει απευθείας στο σύστημα ή την επαναφορτιζόμενη συσκευή αποθήκευσης ενέργειας. Ορισμένα σχέδια μπορούν να είναι αφιερωμένα σε έναν τύπο συσκευής αποθήκευσης ενέργειας, όπως έναν υπερπυκνωτή ή ένα κουμπί ιόντων λιθίου. Υπάρχουν επίσης και άλλα σχέδια που υποστηρίζουν πολλαπλές συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Ομοίως, κάποιο σχέδιο μπορεί να είναι αφιερωμένο σε μια μορφή συλλογής ενέργειας και υπάρχουν άλλα σχέδια που υποστηρίζουν πολλαπλές μορφές ενέργειας.
Μια εστίαση που πρέπει να σημειωθεί είναι η τάση εκκίνησης που απαιτείται για διαφορετικές εφαρμογές. Ορισμένες εφαρμογές ξεκινούν στα 20 mV, αλλά η λειτουργικότητα μπορεί να είναι περιορισμένη και απαιτούνται πρόσθετα συμπληρωματικά εξαρτήματα για την παροχή επαρκούς διαχείρισης ενέργειας. Τα εξαρτήματα με υψηλότερη ενοποίηση μπορεί να έχουν μικρότερο μέγεθος και το συνολικό στατικό ρεύμα είναι χαμηλότερο, αλλά μπορεί να απαιτείται υψηλότερη τάση εκκίνησης για να εξαρτηθεί περισσότερο από το χαμηλότερο επίπεδο ενέργειας αποθήκευσης. Ορισμένες συσκευές είναι πολύ στοχευμένες, αφιερωμένες σε κόμβους αισθητήρων εξαιρετικά χαμηλής ισχύος. Άλλες συσκευές θα υποστηρίζουν υψηλότερα επίπεδα τάσης εισόδου για να πληρούν τις απαιτήσεις που βασίζονται στον εξοπλισμό μικροελεγκτή, αλλά για εφαρμογές συλλογής ενέργειας, αυτές οι ίδιες οι μικροσυσκευές είναι πολύ χαμηλές.
Είναι σημαντικό το IC διαχείρισης ισχύος να πρέπει να είναι αρκετά ευέλικτο ώστε να χειρίζεται τη διακοπτόμενη ισχύ και την ενέργεια που συλλέγεται (συχνά ασταθής και συχνά συλλέγει την ποσότητα). Αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη στο σχεδιασμό του συστήματος, δηλαδή αρκετή χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας, είναι δυνατή η παροχή σταθερής ηλεκτρικής ενέργειας όταν χρειάζεται. Αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη συχνότητα ανάγνωσης του αισθητήρα και την ποσότητα μετάδοσης των δεδομένων και τη συχνότητα μετάδοσης.
Η Texas INSTRUMENTS υψηλής ενοποίησης προσφέρει μια ποικιλία μικροσυσκευών εξαιρετικά χαμηλής ισχύος για εφαρμογές συλλογής ενέργειας, συμπεριλαμβανομένων των IC διαχείρισης ενέργειας, ασύρματων συνδέσεων και μικροελεγκτών. Το τελευταίο BQ25570 της εταιρείας είναι μια υψηλής ολοκληρωμένης συλλογής ενέργειας μιας λύσης διαχείρισης ενέργειας femto. Πληροί όλα τα πρότυπα με τεχνικές συλλογής ενέργειας και όλα τα πρότυπα για εφαρμογές περιορισμένης ισχύος.
Η συσκευή είναι συμπαγής, χρησιμοποιεί ένα πακέτο QFN 3.5 x 3.5 mm με 20 καλώδια, το στατικό ρεύμα εξαιρετικά χαμηλής ισχύος είναι 488 NA (τυπική τιμή) και ο τρόπος μεταφοράς είναι. 1881.5 ΝΑ. Επιπλέον, υπάρχει επίσης μια μονάδα αξιολόγησης BQ25570EVM. Για λεπτομερείς πληροφορίες για τα προϊόντα και τις εφαρμογές, ανατρέξτε στον οδηγό χρήσης προδιαγραφών εξοπλισμού και πίνακα αξιολόγησης 2.
Η συσκευή εξακολουθεί να απαιτεί εξωτερικό πυκνωτή και αντίσταση, αλλά λόγω της υψηλής ενσωμάτωσης, μπορεί να ελαχιστοποιήσει την ανάγκη για πρόσθετο εξοπλισμό. Η συσκευή είναι ιδανική για ασύρματα δίκτυα αισθητήρων με σκληρές απαιτήσεις ισχύος και λειτουργίας, εφαρμόζοντας λύσεις φόρτισης ώθησης παλμών υψηλής ενέργειας διαμόρφωσης συχνότητας παλμών (PFM) και μετατροπέα femto power buck. Δείτε το σχήμα 2 παρακάτω: Η συσκευή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με μια ποικιλία ενέργειας υψηλής σύνθετης αντίστασης, συμπεριλαμβανομένων των φωτοβολταϊκών (ηλιακή), της θερμοηλεκτρικής γεννήτριας (TEG) και των ανορθωτών AC/DC και των πιεζοηλεκτρικών γεννητριών. Από την κατάσταση ψυχρής εκκίνησης, η ελάχιστη ελάχιστη τάση του μετατροπέα ενίσχυσης DC / DC της συσκευής / φορτιστή είναι 330 mV. Η υπόθεσή του βασίζεται στο: το τροφοδοτικό εισόδου παρέχει τουλάχιστον 5 μW (τυπικό) και η έξοδος του μετατροπέα φορτίου είναι μικρότερη από 1 μΑ ρεύμα διαρροής (συμπεριλαμβανομένου του ρεύματος διαρροής του στοιχείου αποθήκευσης). Ωστόσο, η τάση εξόδου του μετατροπέα ενίσχυσης φτάνει τα 1.8 V μετά τη λειτουργία και η τάση 100 MV που απαιτείται για τη συσκευή μπορεί να ληφθεί από την πηγή συλλογής ενέργειας.
Ο μετατροπέας buck λαμβάνεται πρώτα από την έξοδο του μετατροπέα ώθησης για να αποκτήσει ισχύ εισόδου και, στη συνέχεια, εκτελεί μια διαδικασία μείωσης και, τέλος, παρέχει μια τάση ρύθμισης για τον ακροδέκτη εξόδου. Ο μετατροπέας buck χρησιμοποιεί έλεγχο PFM για να προσαρμόσει την τάση ώστε να την επιτρέπει να πλησιάζει την τιμή που έχει οριστεί από τον προγραμματιζόμενο διαιρέτη τάσης αντίστασης από τον χρήστη. Το ρεύμα μέσω του επαγωγέα ελέγχεται από το εσωτερικό κύκλωμα ανίχνευσης ρεύματος. Από τη στιγμή της λειτουργίας παράδοσης, ο χρόνος είναι περίπου 100 ms, από τη λειτουργία αναμονής ξεκινά πιο γρήγορα, αλλά αυτό εξαρτάται από το μέγεθος του πυκνωτή εξόδου.
Το BQ25570 μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μια ποικιλία συσκευών αποθήκευσης, όπως πυκνωτές, υπερπυκνωτές, μπαταρίες ιόντων λιθίου και άλλες χημικές μπαταρίες. Όταν το σύστημα βρίσκεται σε χαμηλή ισχύ ή σε κατάσταση αναστολής λειτουργίας, ο συλλέκτης θα παρέχει επαρκή ηλεκτρική ενέργεια για τη φόρτιση του στοιχείου αποθήκευσης. Όταν ο συλλέκτης ενέργειας δεν λειτουργεί, η μπαταρία ή ο πυκνωτής πρέπει να έχει επαρκή ισχύ για να τροφοδοτεί ολόκληρο το φορτίο του συστήματος. Απαιτείται ένα ισοδύναμο στοιχείο αποθήκευσης πυκνωτή 100 μF για το φιλτράρισμα του ρεύματος παλμού του φορτιστή μεταγωγής PFM.
Σύμφωνα με τον οδηγό χρήσης του TI, η κύρια διαφορά μεταξύ της μπαταρίας και του υπερπυκνωτή είναι ότι υπάρχουν λίγα στην μπαταρία, και ακόμη λιγότερο από ένα ορισμένο ποσό τάσης, και υπάρχει ένας υπερπυκνωτής. Οι σχεδιαστές συστημάτων πρέπει να σημειώσουν ότι υπάρχει σημαντικό ρεύμα διαρροής, το οποίο ισοδυναμεί με φορτίο συνεχούς ρεύματος στην έξοδο του μετατροπέα ενίσχυσης.
Το Maximum Power Point Tracking (MPPT) αναφέρεται στην ισχυρότερη ενέργεια και διαχείριση του φωτοβολταϊκού στοιχείου (70 έως 80%) και του TEG (50%). Άλλες λειτουργίες που η διαχείριση υψηλής ενεργειακής απόδοσης εξοπλισμού με μπαταρίες περιλαμβάνει: προστασία από υπέρταση και χαμηλή τάση μπαταρίας, αυτόματη θερμική απενεργοποίηση της επαναφορτιζόμενης μπαταρίας ιόντων λιθίου. Η ακριβής παρακολούθηση της κατάστασης της μπαταρίας είναι ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό. Εάν το σύστημα μπορεί να εισέλθει σε κατάσταση χαμηλής τάσης, είναι επίσης απαραίτητο να ενεργοποιηθεί η λειτουργία πτώσης ρεύματος φορτίου.
Εναλλακτικός εξοπλισμός και συμπληρωματικός εξοπλισμός Οι λειτουργίες BQ25504 και BQ25505 που εκτοξεύτηκαν από την Ti είναι παρόμοιες, αλλά το ρεύμα ηρεμίας είναι μικρότερο από 325 NA. Και οι δύο συσκευές είναι εξοπλισμένες με έναν αυτόνομο οδηγό πύλης πολυπλέκτη πολλαπλών χρήσεων ισχύος, μόλις ξεκινήσει, επιτρέποντας στο σύστημα να λαμβάνει ενέργεια από πηγές συλλογής ενέργειας και πρωτεύουσες μπαταρίες, διασφαλίζοντας ότι παρέχεται σταθερή ισχύς όταν χρειάζεται, ακόμη και όταν ο συλλέκτης δεν είναι διαθέσιμος. λειτουργούν επίσης σωστά. Το εξαιρετικά χαμηλό στατικό ρεύμα είναι πολύ σημαντικό όταν το σύστημα δεν μπορεί να απενεργοποιηθεί, έτσι ώστε να μπορεί να παραταθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας.
Εάν το μέγεθος και το βάρος είναι πρόβλημα, η TI συνιστά το BQ25100, ο οποίος είναι ένας γραμμικός φορτιστής μπαταρίας με χαμηλότερη ισχύ, ιδιαίτερα κατάλληλος για κουμπιά μεμονωμένων ιόντων λιθίου. Η συσκευή περικλείεται από 0.9 x 1.6 mm WCSP, υποστηρίζει τάση εισόδου έως και 30 V, επιτρέποντας τον ακριβή έλεγχο του ρεύματος γρήγορης φόρτισης εντός 10 mA έως 250 mA.
Οι μονάδες συμπληρωματικού εξοπλισμού TPS82740A και TPS8274B μετατροπέα buck υποστηρίζουν ρεύμα εξόδου 200 mA, η απόδοση μετατροπής φτάνει το 95%, το ρεύμα ηρεμίας που καταναλώνεται είναι μόνο 360 NA και το 70 NA είναι 70 NA. Η συσκευασία των 6.7 mm2 περιέχει έναν ρυθμιστή μεταγωγής, έναν επαγωγέα και έναν πυκνωτή I/O. Με την ενσωμάτωση όλων των απαραίτητων παθητικών συσκευών, ο όγκος της συσκευής είναι 75% μικρότερος από την ίδια διακριτή λύση. Το TPS82740A είναι μια εφαρμογή εξαιρετικά χαμηλής τάσης και το TPS8274B έχει τη δυνατότητα "DCS Control", η οποία είναι κατάλληλη για διαχείριση ενέργειας, όπως Ti, για παράδειγμα, Ti. Σειρά MSP430.
Συμπερασματικά Για να επιλέξετε μια φορητή εφαρμογή τεχνολογίας συλλογής ενέργειας, επιλέξτε το κατάλληλο IC διαχείρισης ενέργειας, πρέπει να εξετάσετε προσεκτικά τις απαιτήσεις ισχύος του συστήματος, το δυναμικό παραγωγής ενέργειας και την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας. Σε χαμηλά άκρα του εύρους ισχύος (όπως ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων), ή εάν η ενέργεια που παράγεται από το TEG είναι πολύ μικρή, η επιλογή της συσκευής είναι πιο περιορισμένη. Εάν το μικρό μέγεθος και το μικρό βάρος είναι η καλύτερη προτεραιότητα, τότε επιλέξτε μια υψηλότερη ενσωμάτωση, όπως πολλές από αυτό το άρθρο, ίσως την καλύτερη λύση.
άλλο προϊόν μας:
