La raccolta di energia è principalmente vista come un metodo di alimentazione per l'alimentazione dei dispositivi elettronici che devono essere aggiunti all'alimentatore o diversi dalla batteria. In molti casi, le applicazioni che utilizzano raccolte di energia spesso non hanno spazio sufficiente per ospitare grandi volumi. Esempi tipici includono tecnologie indossabili come gadget per il fitness e dispositivi di monitoraggio della salute, nonché nodi di sensori wireless come applicazioni di monitoraggio dello stato ambientale o strutturale.
In genere, l'energia raccolta da fonti energetiche ambientali come l'energia solare, le vibrazioni o le differenze di temperatura, deve essere utilizzata efficacemente dopo la transizione, il potenziamento e lo stoccaggio temporaneo. Al giorno d'oggi, sono sempre più numerose le aziende lanciate dalle app di raccolta dell'energia e dai circuiti integrati di gestione dell'alimentazione. Ma la pressione sta affrontando, per garantire che questi dispositivi siano altamente integrati per facilitare il funzionamento multifunzionale e che le dimensioni dovrebbero essere le più ridotte possibile. Non c'è dubbio che il consumo energetico dell'apparecchiatura stessa è molto basso.
Questo articolo delineerà le esigenze di miniaturizzazione dei mercati delle apparecchiature elettroniche rapidamente indossabili e delle relative applicazioni e discuterà di recente il caricabatterie boost BQ25570 con convertitori buck integrati e una serie di alternative simili e componenti complementari. Questo articolo farà riferimento alla guida dell'utente di TI, spiegherà come utilizzare efficacemente il dispositivo al limite di potenza ultracen a bassa, spazio / peso.
Altre funzionalità Oggi, sono sempre più i dispositivi indossabili che tracciano il piano di fitness per monitorare lo stato di salute e fornire condizioni di assistenza sanitaria e fornire servizi medici. Come la maggior parte dei dispositivi portatili, questa tendenza promuoverà l'aumento delle funzioni delle apparecchiature con i consumatori che si aspettano. Se il dispositivo GPS è integrato nel cardiofrequenzimetro, traccia il numero della suoneria di registrazione o il percorso di corsa, il cardiofrequenzimetro sarà più favorito. Attualmente, le moderne apparecchiature indossabili per il monitoraggio della salute possono monitorare la pressione sanguigna, la temperatura corporea, il contenuto di ossigeno nel sangue, la frequenza cardiaca e l'attività.
Figura 1: La raccolta di energia sarà una tecnologia chiave in molte applicazioni di dispositivi elettronici indossabili.
A sinistra: le calze intelligenti di Sensoria, dotate di sensori di pressione, possono comunicare con gli anelli del piede tramite Bluetooth per aiutare a identificare e migliorare le posture di corsa (tallone/piede). Altri sensori possono tenere traccia di record, velocità, consumo di calorie, altezze e distanze.
A destra: Istituto Fraunhofer R & S L'attrezzatura ausiliaria indossabile per il gruppo di anziani può fornire una serie di servizi programmabili come l'assunzione di promemoria per i farmaci, il monitoraggio della salute e le chiamate di emergenza.
La connessione wireless semplifica il trasferimento e l'archiviazione dei dati raccolti per analisi successive. Le reti di sensori wireless come parte dell'Internet of Things, sono essenziali in applicazioni come edifici intelligenti e monitoraggio ambientale e i dati di molti sensori in queste applicazioni devono essere compilati. Per questo motivo, sensori integrati, circuiti a radiofrequenza e microcontrollori più precisi sempre più in smartwatch, monitor biometrici, prodotti con tag ID, nodi di sensori e altre applicazioni indossabili o remote.
Tuttavia, tali dispositivi multifunzione dovrebbero essere preferiti, ad eccezione della durata ragionevole della batteria, richiede anche leggerezza, dimensioni ridotte e comfort. I progettisti hanno utilizzato tecniche di raccolta dell'energia per utilizzare efficacemente l'energia ambientale come il calore corporeo o i passi, in modo che la batteria continui a caricarsi. In alcuni dispositivi (come i dispositivi impiantati), l'energia raccolta è l'unica fonte di energia.
Pertanto, la raccolta di energia può essere vista come una tecnologia pratica spaziale che può essere utilizzata in alternativa alla batteria e può ottenere un volume inferiore di batteria ricaricabile. Per qualsiasi dispositivo alimentato dalla batteria o dall'energia fornita, la gestione dell'alimentazione è molto importante. Per garantire prestazioni ottimali e operazioni ad alta efficienza con un elevato consumo energetico, solitamente alimentatori irregolari, è necessaria una certa accuratezza e precisione. Un certo numero di produttori di circuiti integrati ha preso di mira questo mercato, tra cui Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics e Texas Instruments.
Rispetto alla vecchia generazione di energia, la nuova generazione di alimentatori è più alta, il volume è più piccolo e il consumo di energia è inferiore. In teoria, il dispositivo otterrà l'energia risultante, quindi conversione e/o boost, e infine la fornirà direttamente al sistema o dispositivo di accumulo di energia ricaricabile. Alcuni progetti possono essere dedicati a un tipo di dispositivo di accumulo di energia come un supercondensatore o un pulsante agli ioni di litio. Esistono anche altri design che supportano più dispositivi di accumulo di energia. Allo stesso modo, alcuni design possono essere dedicati a una forma di raccolta di energia e ci sono altri design che supportano più forme di energia.
Un punto focale da notare è la tensione di avvio richiesta per diverse applicazioni. Alcune applicazioni vengono avviate a 20 mV, ma la funzionalità potrebbe essere limitata e sono necessari componenti complementari aggiuntivi per fornire una gestione dell'alimentazione sufficiente. I componenti con una maggiore integrazione possono avere dimensioni inferiori e la corrente statica complessiva è inferiore, ma potrebbe essere necessaria una tensione di avviamento maggiore per renderla maggiormente dipendente dal livello più basso di energia di accumulo. Alcuni dispositivi sono molto mirati, dedicati a nodi di sensori a bassissima potenza. Altri dispositivi supporteranno livelli di tensione di ingresso più elevati per soddisfare i requisiti basati sulle apparecchiature del microcontrollore, ma per le applicazioni di raccolta dell'energia, questi stessi micro dispositivi sono molto bassi.
È importante che l'IC di gestione dell'alimentazione debba essere sufficientemente flessibile da gestire la potenza intermittente e l'energia raccolta (spesso instabile e spesso raccogliendone la quantità). Questo deve essere considerato nella progettazione del sistema, ovvero una capacità di accumulo di energia sufficiente, è possibile fornire energia elettrica costante quando necessario. Ciò dipende in larga misura dalla frequenza di lettura del sensore e dalla quantità di trasmissione dei dati e dalla frequenza di trasmissione.
Alta integrazione Texas INSTRUMENTS offre una varietà di microdispositivi a bassissima potenza per applicazioni di raccolta dell'energia, inclusi circuiti integrati di gestione dell'alimentazione, connessioni wireless e microcontrollori. L'ultimo BQ25570 dell'azienda è una raccolta di energia altamente integrata di una soluzione di gestione dell'alimentazione femto. Soddisfa tutti gli standard con le tecniche di raccolta dell'energia e tutti gli standard per le applicazioni con limitazione di potenza.
Il dispositivo è compatto, utilizza un pacchetto QFN da 3.5 x 3.5 mm di 20 cavi, la corrente statica a bassissima potenza è 488 NA (valore tipico) e la modalità di trasporto lo è. 1881.5 AN. Inoltre, c'è anche un modulo di valutazione BQ25570EVM. Per informazioni dettagliate su prodotti e applicazioni, fare riferimento alle specifiche dell'apparecchiatura e alla guida per l'utente della scheda di valutazione 2.
Il dispositivo richiede ancora un condensatore e un resistore esterni, ma a causa dell'elevata integrazione, può ridurre al minimo la necessità di apparecchiature aggiuntive. L'apparato è ideale per reti di sensori wireless con requisiti operativi e di alimentazione gravosi, implementando soluzioni di caricabatterie boost a modulazione di frequenza a impulsi ad alta energia (PFM) e convertitori femto power buck. Vedere la Figura 2 di seguito: L'apparato può essere utilizzato in combinazione con una varietà di energia ad alta impedenza, tra cui fotovoltaico (solare), generatore termoelettrico (TEG), raddrizzatore CA/CC e generatori piezoelettrici. Dallo stato di avviamento a freddo, la tensione minima del convertitore boost DC/DC/caricabatterie del dispositivo è di 330 mV. La sua ipotesi si basa su: l'alimentazione in ingresso fornisce almeno 5 μW (tipico) e l'uscita del convertitore di carico è inferiore a 1 μA di corrente di dispersione (inclusa la corrente di dispersione dell'elemento di accumulo). Tuttavia, la tensione di uscita del convertitore boost raggiunge 1.8 V dopo il funzionamento e la tensione di 100 MV richiesta per il dispositivo può essere ottenuta dalla fonte di raccolta dell'energia.
Il convertitore buck viene prima ottenuto dall'uscita del convertitore boost per ottenere la potenza in ingresso, quindi esegue un processo step-down e infine fornisce una tensione di regolazione per il pin di uscita. Il convertitore buck utilizza il controllo PFM per regolare la tensione e abilitarla vicino al valore impostato dal partitore di tensione del resistore programmabile dall'utente. La corrente attraverso l'induttore è controllata dal circuito di rilevamento della corrente interno. Dal momento della modalità di erogazione, il tempo è di circa 100 ms, dalla modalità di attesa si avvia più velocemente, ma questo dipende dalle dimensioni del condensatore di uscita.
BQ25570 può essere utilizzato con una varietà di dispositivi di archiviazione, inclusi condensatori, supercondensatori, batterie agli ioni di litio e altre batterie chimiche. Quando il sistema è in modalità di risparmio energetico o di sospensione, il collettore fornirà energia elettrica sufficiente per caricare l'elemento di accumulo. Quando il collettore di energia non funziona, la batteria o il condensatore devono avere potenza sufficiente per alimentare l'intero carico del sistema. Per filtrare la corrente a impulsi del caricatore a commutazione PFM è necessario un condensatore equivalente da 100 μF.
Secondo la guida per l'utente di TI, la differenza principale tra la batteria e il supercondensatore è che ce ne sono pochi nella batteria, e anche meno di una certa quantità di tensione, e c'è un supercondensatore. I progettisti di sistemi devono notare che esiste una corrente di dispersione significativa, che è equivalente a un carico CC sull'uscita del convertitore boost.
L'inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) si riferisce all'energia più potente e alla gestione della cella fotovoltaica (dal 70 all'80%) e del TEG (50%). Altre funzioni che la gestione dell'alta efficienza energetica delle apparecchiature alimentate a batteria comprende: protezione da sovratensione e sottotensione della batteria, spegnimento termico automatico della batteria ricaricabile agli ioni di litio. Il monitoraggio accurato dello stato della batteria è un'altra caratteristica importante. Se il sistema può entrare in uno stato di sottotensione, è necessario attivare anche la funzione di caduta della corrente di carico.
Equipaggiamento alternativo e equipaggiamento supplementare Le funzioni BQ25504 e BQ25505 lanciate da Ti sono simili, ma la corrente di riposo è inferiore a 325 NA. Entrambi i dispositivi sono dotati di un gate driver multiplexer polivalente di potenza autonoma, una volta avviato, che consente al sistema di ottenere energia da fonti di raccolta energia e batterie primarie, garantendo un'alimentazione costante quando necessaria, anche quando il collettore non è disponibile. anche funzionare correttamente. La corrente statica ultra bassa è molto importante quando il sistema non è in grado di spegnersi, in modo che la durata della batteria possa essere estesa.
Se le dimensioni e il peso sono un problema, TI consiglia BQ25100, che è un caricabatterie lineare con una potenza inferiore, particolarmente adatto per pulsanti singoli agli ioni di litio. Il dispositivo è incapsulato da 0.9 x 1.6 mm WCSP, supporta una tensione di ingresso fino a 30 V, consentendo di controllare con precisione la corrente di carica rapida tra 10 mA e 250 mA.
I moduli convertitore buck dell'attrezzatura complementare TPS82740A e TPS8274B supportano una corrente di uscita di 200 mA, l'efficienza di conversione raggiunge il 95%, la corrente di riposo consumata è solo 360 NA e 70 NA è 70 NA. Il pacchetto da 6.7 mm2 contiene un regolatore di commutazione, un induttore e un condensatore I/O. Integrando tutti i dispositivi passivi necessari, il volume del dispositivo è inferiore del 75% rispetto alla stessa soluzione discreta. Il TPS82740A è un'applicazione a bassissima tensione e il TPS8274B ha la funzione "DCS Control", che è adatta per la gestione dell'alimentazione, come Ti, ad esempio Ti. serie MSP430.
in conclusione Per selezionare un'applicazione portatile della tecnologia di raccolta dell'energia, selezionare l'IC di gestione dell'alimentazione appropriato, è necessario considerare attentamente i requisiti di alimentazione del sistema, il potenziale di generazione di energia e la capacità di stoccaggio dell'energia. Alle estremità basse della gamma di potenza (come i nodi dei sensori wireless), o se l'energia generata dal TEG è molto piccola, la selezione del dispositivo è più limitata. Se le dimensioni ridotte e il peso ridotto sono la priorità migliore, seleziona un'integrazione più elevata, come molti di questo articolo, forse la soluzione migliore.
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