Pengumpulan tenaga terutamanya dilihat sebagai kaedah bekalan kuasa untuk bekalan kuasa kepada peranti elektronik yang perlu ditambah kepada bekalan kuasa atau selain daripada bateri. Dalam kebanyakan kes, aplikasi yang menggunakan pengumpulan tenaga selalunya tidak mempunyai ruang yang mencukupi untuk menampung volum yang besar. Contoh biasa termasuk teknologi boleh pakai seperti alat kecergasan dan peranti pemantauan kesihatan, serta nod sensor wayarles seperti aplikasi pemantauan status persekitaran atau struktur.
Biasanya, tenaga yang dikumpul daripada sumber tenaga alam sekitar seperti tenaga suria, getaran atau perbezaan suhu, perlu digunakan dengan berkesan selepas peralihan, penggalak dan penyimpanan sementara. Pada masa kini, beberapa syarikat yang dilancarkan oleh aplikasi pengumpulan tenaga dan litar bersepadu pengurusan kuasa semakin meningkat. Tetapi tekanan yang dihadapi, untuk memastikan bahawa peranti ini sangat bersepadu untuk memudahkan operasi berbilang fungsi, dan saiznya hendaklah sekecil mungkin. Tidak dinafikan bahawa penggunaan kuasa peralatan itu sendiri adalah sangat rendah.
Artikel ini akan menggariskan keperluan pengecilan pasaran peralatan elektronik boleh pakai pantas dan aplikasi berkaitannya, dan membincangkan baru-baru ini, pengecas rangsangan BQ25570 dengan penukar wang bersepadu, dan satu siri alternatif yang serupa dan komponen pelengkap. Artikel ini akan merujuk kepada panduan pengguna TI, menerangkan cara menggunakan peranti dengan berkesan untuk ultracen kuasa rendah, had ruang / berat.
Lebih banyak ciri Hari ini, semakin banyak peranti boleh pakai yang menjejaki pelan kecergasan untuk memantau status kesihatan dan menyediakan keadaan penjagaan kesihatan serta menyediakan perkhidmatan perubatan. Seperti kebanyakan peranti mudah alih, aliran ini akan menggalakkan peningkatan dalam fungsi peralatan dengan jangkaan pengguna. Jika peranti GPS disepadukan dalam monitor kadar jantung, jejak nombor gelang rakaman atau laluan larian, monitor kadar denyutan jantung akan lebih diutamakan. Pada masa ini, peralatan pemantauan kesihatan boleh pakai moden boleh memantau tekanan darah, suhu badan, kandungan oksigen darah, kadar jantung dan aktiviti.
Rajah 1: Pengumpulan tenaga akan menjadi teknologi utama dalam banyak aplikasi peranti elektronik boleh pakai.
Kiri: Stoking pintar Sensoria, dilengkapi dengan penderia tekanan, boleh berkomunikasi dengan gelang kaki melalui Bluetooth untuk membantu mengenal pasti dan memperbaiki postur larian (tumit/kaki). Penderia lain boleh menjejaki rekod, kelajuan, penggunaan kalori, ketinggian dan jarak.
Kanan: Fraunhofer Institute R & D Peralatan tambahan boleh pakai untuk kumpulan warga emas boleh menyediakan satu siri perkhidmatan boleh atur cara seperti mengambil peringatan dadah, pemantauan kesihatan dan panggilan bantuan kecemasan.
Sambungan wayarles memudahkan untuk memindahkan dan menyimpan data yang dikumpul untuk analisis kemudian. Rangkaian penderia wayarles sebagai sebahagian daripada Internet Perkara, adalah penting dalam aplikasi seperti bangunan pintar dan pemantauan alam sekitar, dan data daripada banyak penderia dalam aplikasi ini mesti disusun. Oleh sebab itu, penderia bersepadu, litar frekuensi radio dan mikropengawal yang lebih tepat semakin meningkat dalam jam tangan pintar, monitor biometrik, produk tag ID, nod penderia dan aplikasi lain yang boleh dipakai atau jauh.
Walau bagaimanapun, peranti berbilang fungsi sedemikian harus diutamakan, kecuali untuk hayat bateri yang munasabah, ia juga memerlukan berat ringan, saiz kecil dan keselesaan. Pereka bentuk telah menggunakan teknik pengumpulan tenaga untuk menggunakan tenaga alam sekitar dengan berkesan seperti haba badan atau tapak kaki, supaya bateri terus dicas. Dalam peranti tertentu (seperti peranti implan), tenaga yang dikumpul adalah satu-satunya sumber tenaga.
Oleh itu, pengumpulan tenaga boleh dilihat sebagai teknologi praktikal spatial yang boleh digunakan sebagai alternatif kepada bateri, dan boleh mencapai jumlah bateri boleh dicas semula yang lebih kecil. Untuk mana-mana peranti yang dikuasakan oleh bateri atau tenaga yang dibekalkan, pengurusan kuasa adalah sangat penting. Untuk memastikan prestasi optimum dan operasi kecekapan tinggi dengan penggunaan kuasa tinggi, biasanya bekalan kuasa yang tidak teratur, memerlukan ketepatan dan ketepatan tertentu. Sebilangan pengeluar IC telah menyasarkan pasaran ini, termasuk Peranti Linear Lanjutan, Cymbet, Teknologi Linear, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics, dan Texas Instruments.
Berbanding dengan kuasa generasi lama, bekalan kuasa generasi baru lebih tinggi, volumnya lebih kecil, dan penggunaan kuasa lebih rendah. Secara teori, peranti akan mendapat tenaga yang terhasil, dan kemudian penukaran dan / atau rangsangan, dan akhirnya membekalkannya terus kepada sistem atau peranti storan tenaga boleh dicas semula. Sesetengah reka bentuk boleh dikhaskan untuk jenis peranti storan tenaga seperti supercapacitor atau butang litium ion. Terdapat juga reka bentuk lain yang menyokong pelbagai peranti storan tenaga. Begitu juga, sesetengah reka bentuk mungkin dikhaskan untuk satu bentuk pengumpulan tenaga, dan terdapat reka bentuk lain yang menyokong pelbagai bentuk tenaga.
Tumpuan yang perlu diberi perhatian ialah voltan permulaan yang diperlukan untuk aplikasi yang berbeza. Sesetengah aplikasi dimulakan kepada 20 mV, tetapi kefungsian mungkin terhad, dan komponen pelengkap tambahan diperlukan untuk menyediakan pengurusan kuasa yang mencukupi. Komponen dengan penyepaduan yang lebih tinggi mungkin mempunyai saiz yang lebih kecil, dan arus statik keseluruhan lebih rendah, tetapi voltan permulaan yang lebih tinggi mungkin diperlukan untuk menjadikannya lebih bergantung pada tahap tenaga simpanan yang paling rendah. Sesetengah peranti sangat disasarkan, khusus untuk nod sensor kuasa ultra rendah. Peranti lain akan menyokong tahap voltan input yang lebih tinggi untuk memenuhi keperluan berdasarkan peralatan mikropengawal, tetapi untuk aplikasi pengumpulan tenaga, peranti mikro ini sendiri adalah sangat rendah.
Adalah penting bahawa IC pengurusan kuasa perlu cukup fleksibel untuk mengendalikan kuasa terputus-putus dan tenaga yang dikumpul (selalunya tidak stabil, dan sering mengumpul jumlahnya). Ini mesti dipertimbangkan dalam reka bentuk sistem, iaitu kapasiti penyimpanan tenaga yang mencukupi, adalah mungkin untuk membekalkan elektrik yang berterusan apabila diperlukan. Ini sebahagian besarnya bergantung pada kekerapan bacaan sensor, dan jumlah penghantaran data dan kekerapan penghantaran.
Integrasi tinggi Texas INSTRUMENTS menawarkan pelbagai peranti mikro kuasa ultra rendah untuk aplikasi pengumpulan tenaga, termasuk IC pengurusan kuasa, sambungan wayarles dan mikropengawal. BQ25570 terbaru syarikat ialah koleksi tenaga bersepadu yang tinggi bagi penyelesaian pengurusan kuasa femto. Ia memenuhi semua piawaian dengan teknik pengumpulan tenaga dan semua piawaian untuk aplikasi terhad kuasa.
Peranti ini padat, menggunakan pakej QFN 3.5 x 3.5 mm 20 petunjuk, arus statik kuasa ultra rendah ialah 488 NA (nilai biasa), dan mod pengangkutan ialah. 1881.5 NA. Selain itu, terdapat juga modul penilaian BQ25570EVM. Untuk produk terperinci dan maklumat aplikasi, sila rujuk spesifikasi peralatan dan panduan pengguna papan penilaian 2.
Peranti masih memerlukan kapasitor dan perintang luaran, tetapi disebabkan integrasi yang tinggi, ia boleh meminimumkan keperluan untuk peralatan tambahan. Radas ini sesuai untuk rangkaian penderia wayarles dengan kuasa yang keras dan keperluan operasi, melaksanakan pengecas rangsangan modulasi frekuensi nadi tenaga tinggi (PFM) dan penyelesaian penukar femto power buck. Lihat Rajah 2 di bawah: Radas boleh digunakan bersama dengan pelbagai tenaga galangan tinggi, termasuk fotovoltaik (solar), penjana termoelektrik (TEG), dan penerus AC / DC dan penjana piezoelektrik. Dari keadaan mula sejuk, penukar rangsangan DC / DC / pengecas minimum voltan minimum ialah 330 mV. Hipotesisnya adalah berdasarkan: bekalan kuasa input menyediakan sekurang-kurangnya 5 μW (biasa), dan output penukar beban kurang daripada 1 μA arus bocor (termasuk arus bocor unsur storan). Walau bagaimanapun, voltan keluaran penukar rangsangan mencapai 1.8 V selepas berjalan, dan voltan 100 MV yang diperlukan untuk peranti boleh diperoleh daripada sumber pengumpulan tenaga.
Penukar buck mula-mula diperoleh daripada output penukar rangsangan untuk mendapatkan kuasa input, dan kemudian melakukan proses step-down, dan akhirnya memberikan voltan pelarasan untuk pin output. Penukar buck menggunakan kawalan PFM untuk melaraskan voltan bagi membolehkannya menghampiri nilai yang ditetapkan oleh pembahagi voltan perintang boleh atur cara pengguna. Arus melalui induktor dikawal oleh litar pengesan arus dalaman. Dari masa mod penghantaran, masa adalah kira-kira 100 ms, dari mod siap sedia bermula lebih cepat, tetapi ini bergantung pada saiz kapasitor output.
BQ25570 boleh digunakan dengan pelbagai peranti storan, termasuk kapasitor, supercapacitors, bateri lithium ion dan bateri kimia lain. Apabila sistem berada dalam mod kuasa rendah atau tidur, pengumpul akan menyediakan tenaga elektrik yang mencukupi untuk mengecas elemen storan. Apabila pengumpul tenaga tidak berfungsi, bateri atau kapasitor mesti mempunyai kuasa yang mencukupi untuk menggerakkan keseluruhan beban sistem. Elemen storan 100 μF kapasitor setara diperlukan untuk menapis arus nadi pengecas pensuisan PFM.
Menurut panduan pengguna TI, perbezaan utama antara bateri dan supercapacitor ialah terdapat sedikit dalam bateri, malah kurang daripada jumlah voltan tertentu, dan terdapat supercapacitor. Pereka sistem perlu ambil perhatian bahawa terdapat arus kebocoran yang ketara, yang bersamaan dengan beban DC pada output penukar rangsangan.
Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) merujuk kepada tenaga yang paling berkuasa dan pengurusan sel fotovoltaik (70 hingga 80%) dan TEG (50%). Fungsi lain yang termasuk dalam pengurusan kecekapan tenaga tinggi peralatan berkuasa bateri: voltan lampau bateri dan perlindungan voltan bawah, penutupan terma automatik bateri ion litium boleh dicas semula. Pemantauan status bateri yang tepat adalah satu lagi ciri penting. Jika sistem mungkin memasuki keadaan undervoltage, ia juga perlu untuk mencetuskan fungsi penurunan arus beban.
Peralatan alternatif dan kelengkapan tambahan Fungsi BQ25504 dan BQ25505 yang dilancarkan oleh Ti adalah serupa, tetapi arus senyap kurang daripada 325 NA. Kedua-dua peranti dilengkapi dengan pemacu pintu pemultipleks pelbagai guna kuasa autonomi, sebaik sahaja dimulakan, membolehkan sistem memperoleh tenaga daripada sumber pengumpulan tenaga dan bateri utama, memastikan kuasa berterusan disediakan apabila diperlukan, walaupun apabila pengumpul tidak tersedia Ia boleh juga berfungsi dengan baik. Arus statik ultra-rendah adalah sangat penting apabila sistem mengandungi tidak dapat dimatikan, supaya hayat bateri boleh dilanjutkan.
Jika saiz dan berat bermasalah, TI mengesyorkan BQ25100, iaitu pengecas bateri linear dengan kuasa yang lebih rendah, terutamanya sesuai untuk butang ion litium tunggal. Peranti ini dikapsulkan oleh WCSP 0.9 x 1.6 mm, menyokong voltan input sehingga 30 V, membolehkan arus pengecasan pantas dikawal dengan tepat dalam 10 mA hingga 250 mA.
Peralatan pelengkap TPS82740A dan modul penukar buck TPS8274B menyokong arus keluaran 200 mA, kecekapan penukaran setinggi 95%, arus senyap yang digunakan hanya 360 NA, dan 70 NA ialah 70 NA. Pakej 6.7 mm2 mengandungi pengatur pensuisan, induktor, dan kapasitor I / O. Dengan menyepadukan semua peranti pasif yang diperlukan, volum peranti adalah 75% lebih kecil daripada penyelesaian diskret yang sama. TPS82740A ialah aplikasi voltan ultra rendah, dan TPS8274B mempunyai ciri "Kawalan DCS", yang sesuai untuk pengurusan kuasa, seperti Ti, contohnya, Ti. Siri MSP430.
sebagai kesimpulan Untuk memilih aplikasi mudah alih teknologi pengumpulan tenaga, pilih IC pengurusan kuasa yang sesuai, anda perlu berhati-hati mempertimbangkan keperluan kuasa sistem, potensi penjanaan tenaga dan kapasiti penyimpanan tenaga. Pada hujung rendah julat kuasa (seperti nod sensor wayarles), atau jika tenaga yang dijana oleh TEG adalah sangat kecil, pemilihan peranti adalah lebih terhad. Jika saiz kecil dan ringan adalah keutamaan terbaik, maka pilih penyepaduan yang lebih tinggi, seperti beberapa artikel ini, mungkin penyelesaian terbaik.
produk kami yang lain:
