08.02.2016

Thermische Energieernte verlängert Batterielaufzeit von abgesetzten Sensoren

Drahtlose und mit Kabeln angeschlossene Sensorsysteme findet man oft in Gegenden, in denen Umgebungsenergie vorhanden ist, um Sensoren zu versorgen. So kann Ernteenergie die Laufzeit der installierten Batterien verl√§ngern - besonders dann, wenn der Energiebedarf gering ist, wenn die Wartungskosten √ľber einen l√§ngeren Zeitraum und die Abschaltzeiten reduziert werden sollen. Ungeachtet dieser Vorteile gibt es einige Nachteile. Der wesentliche ist, dass die Umgebungsenergiequellen schwanken oder nicht kontinuierlich zur Verf√ľgung stehen, wo hingegen Prim√§rbatterien extrem zuverl√§ssig √ľber ihre Laufzeit arbeiten.



Autor:
Dave Salerno, Linear Technology



Systemdesigner sind zur√ľckhaltend beim Nachr√ľsten ihrer Systeme mit Ernteenergie, besonders dann, wenn eine nahtlose Integration wichtig ist. Der LTC3107 ist in der Lage, diese Ansicht zu √§ndern. Und zwar durch die problemlose Verl√§ngerung der Batterielaufzeit durch Hinzuf√ľgen von Ernteenergie an bestehende Systeme.


Mit dem LTC3107, einem Point-of-Load Energieernter, ben√∂tigt man nur wenig Raum - 3mm √ó 3mm f√ľr das DFN Geh√§use und etwas Platz f√ľr wenige externe Komponenten. Mit einer zu den meisten existierenden Prim√§rbatterien passenden Ausgangsspannung kann der LTC3107 adaptiert werden und f√ľhrt durch Ernteenergie zur Kostenersparnis in neuen oder bestehenden batteriebetriebenen Designs.



Batteriewechsel kann vermieden werden

Der LTC3107 kann zusammen mit einer kleinen thermischen Energiequelle die Batterielaufzeit verl√§ngern. In einigen F√§llen funktioniert das bis zur Gesamtlebensdauer der Batterie, was gleichzeitig die Wartungskosten verringert, da ein Batteriewechsel entf√§llt. Der LTC3107 wurde entwickelt, um die Batterielaufzeit zu verl√§ngern, oder auch die Last alleine zu versorgen, abh√§ngig von den Lastkonditionen und der verf√ľgbaren Ernteenergie. Der digitale Ausgang BAT_OFF zeigt st√§ndig an, ob die Batterie die Last versorgt oder nicht. Damit kann das System die Effizienz des Energieernters und die Nutzung der Batterie f√ľr Wartungsreports verfolgen. BAT_OFF ist dabei intern mit VOUT verbunden.





Bild 1. Vereinfachtes Schaltbild eines typischen batteriebetriebenen drahtlosen Sensorsystems


Bild 1 zeigt eine typische Applikation eines drahtlosen Sensors. Dieses System wird komplett von einer CR3032 3,0-V-Lithium-Prim√§rzelle mit einer Kapazit√§t von 500mAh versorgt. Diese reicht f√ľr etwa 8 Monate kontinuierlichen Betrieb bei einem durchschnittlichen Leistungsbedarf von 250¬ĶW.






Bild 2. Drahtloses Sensorsystem mit Batterieversorgung und thermischer Energieernte √ľber den LTC3107 (Dieses Bild k√∂nnen Sie am Ende des Beitrages in Originalgr√∂√üe einsehen.)



Bild 2 zeigt dasselbe System mit gleicher Batterie und einem auf dem LTC3107-basierten thermischen Energieernter, um die Batterielaufzeit zu verl√§ngern. Bild 3 demonstriert die vorhergesagte Verl√§ngerung der Batterielaufzeit mit dem zus√§tzlichen thermischen Energieernter, einem 15mm x 15mm thermoelektrischen Generator (TEG) mit einem 24 mm2 messenden K√ľhlk√∂rper entsprechend des Oberfl√§chentemperatur-bereichs des TEG (bei 23¬įC Umgebungstemperatur). Ist die Ernteenergie gr√∂√üer als der durchschnittliche Leistungsbedarf f√ľr die Last, wird die Batterie zur Versorgung nicht gebraucht.








Bild 3. Die Batterielaufzeit kann mit thermischer Ernteenergie um Jahre verlängert werden


Lediglich 80nA Strom werden aus der Batterie entzogen, was die Laufzeit einer typischen Prim√§rzelle auf 5 bis 10 Jahre verl√§ngert. In diesem Zustand wird die Batterie nur als Referenzspannung f√ľr den LTC3107 ben√∂tigt, um die Regelung des Ausgangs sicherzustellen.


Wichtig zu wissen ist, dass der LTC3107 in allen Be-triebsbedingungen die Batterie nicht l√§dt. Beim System in Bild 2, bei dem der TEG mittels Warmpipe oder einem anderem W√§rmeleiter an die Ernteenergiequelle angeschlossen ist, liegt die Temperatur nur 12¬įC √ľber der Umgebungstemperatur. Hier kann der LTC3107 eine 250¬ĶW-Last mit Ernteenergie versorgen und es werden Batteriewechsel √ľber die ganze Lebensdauer √ľberfl√ľssig, wie es Bild 3 zeigt.








Bild 4. Ernteverlauf bei PHARVEST > PLOAD


Die Verl√§ufe in Bild 4 zeigen die Batteriespannung und die Ausgangsspannung des LTC3107. Wie man sieht, ist die Ausgangsspannung auf 30mV unter der unbelasteten Batteriespannung reguliert ‚Äď nahtlos und transparent f√ľr die Systemlast. So steht die passende Ausgangsspannung an, f√ľr die das System entwickelt wurde. In diesem Zustand bleibt der BAT_OFF Ausgang auf logisch high und zeigt an, dass die Batterie nicht f√ľr die Versorgung der Last ben√∂tigt wird.


Im Bild hat die resistive Last der Oszilloskop-Probe die BAT_OFF high Spannung unter VOUT gezogen. Dies wird ermöglicht durch den Widerstandsteiler in der Probe und den internen Pull-up Widerstand des LTC3107. Übersteigt die Last die Ernteenergie, liefert die Batterie die Ausgangsspannung und versorgt die Last mit der erforderlichen Energie. In diesen Fällen liefert der Energieernter so viel Energie wie möglich, um den Strom aus der Batterie zu minimieren und damit die Batterielaufzeit zu maximieren. Das Signal an BAT_OFF bleibt auf low, auch wenn der Ernter etwas Laststrom liefert (Bild 5).






Bild 5. Ernteverlauf bei PHARVEST < PLOAD



Unter diesen Bedingungen wird VOUT durch den LTC3107 auf 220mV unter der aktuellen Batteriespannung geregelt. √Ąndert sich die Last dynamisch mit √úberg√§ngen von niedrigen auf hohe Werte, √§ndert sich das BAT_OFF Signal zwischen high und low, und signalisiert so, dass der Ernter in der Lage ist, die Last zu versorgen, ohne dass die Batterie ben√∂tigt wird. Bild 6 zeigt dies bei einem Lastsprung.








Bild 6. Ernteverlauf wenn ein kurzzeitiger Lasttransient PHARVEST √ľbersteigt



Zur weiteren Batterielaufzeitverl√§ngerung kann der LTC3107 √ľberfl√ľssige Ernteenergie in einem gro√üen Kondensator am VSTORE Pin speichern, dies bei leichten Lasten und zur Unterst√ľtzung von VOUT w√§hrend Perioden gro√üer Last. Um den Einsatz von Supercaps, die typisch eine Maximalspannung von 5V aufweisen zu erm√∂glichen, ist die Spannung VSTORE intern auf maximal 4,48V geklemmt. Mit diesem zus√§tzlichen Speichermerkmal wird der Batteriestrom in Zeiten zunehmender Last reduziert oder ganz abgeschaltet. Dann kommt die im Kondensator gespeicherte Energie an VOUT zum Einsatz bevor die Batterie belastet wird (zeigt Bild 7).







Bild 7. Einsatz des VSTORE Merkmals zur Unterst√ľtzung eines starken Lastanstiegs



Die VSTORE Spannung wird in Perioden leichter Last geladen, wie im Bild zu sehen, w√ľrde aber bei ansteigender Last zur√ľckgehen. Es ist aber zu erkennen, das VOUT nicht zur√ľckgeht und das Signal an BAT_OFF auf high bleibt und damit anzeigt, dass die Batterie nicht ben√∂tigt wird um den Ausgang aufrecht zu erhalten, selbst bei einem Lastsprung. Stehen keine Ernteenergie und keine Energie aus dem Kondensator zur Verf√ľgung, versorgt die Batterie alleine und VOUT wird auf 220mV unter der Batteriespannung geregelt.


Die Ernteenergieschaltung bleibt unwirksam und belastet die Batterie mit nur 6¬ĶA (Bild 5). Um die Batterie vor Kurzschl√ľssen an VOUT zu sch√ľtzen, ist der Strom von VBATT zu VOUT auf minimal 30mA und 100mA maximal begrenzt. Somit k√∂nnen stabile Lasten von mindestens 30mA alleine durch die Batterie versorgt werden. Falls n√∂tig, k√∂nnen gr√∂√üere Lasttransienten f√ľr eine kurze Zeit mit einem Entkopplungskondensator an VOUT √ľberbr√ľckt werden.


Der stabile Ausgangsstrom eines Energieernters ist von verschiedenen Faktoren abh√§ngig, ist aber prim√§r bestimmt von der Temperaturdifferenz √ľber dem TEG. Zu bemerken ist, dass dies nicht nur eine Funktion der Oberfl√§chentemperatur des TEG und der Umgebungstem-peratur ist, sondern auch vom W√§rmewiderstand zum K√ľhlk√∂rper, auf der kalten Seite des TEG. Der stabile Ausgangsstrom des TEG reicht von einigen Mikroampere bis zu einigen Milliampere.


Der Strom, der von VSTORE an VOUT geliefert wird, ist begrenzt durch die Differenzspannung zwischen den beiden Pins und dem internen Pfadwiderstand durch die LTC3107 Ladesteuerungsschaltung, welcher typisch 120 ő© ist. Deshalb ist der Strom aus VSTORE auf einige wenige Milliampere begrenzt; gro√üe Lasttransienten werden so nicht unterst√ľtzt, dies √ľbernimmt der Entkopplungskondensator an VOUT.



Zus√§tzlich zum BAT_OFF Merkmal bietet der LTC3107 eine zweite Ausgangsspannung f√ľr die Versorgung leichter Lasten mit bis zu 10mA und mittels internem LDO auf 2,2V geregelt. Der 2,2V-LDO wird vom Energieernter versorgt oder von der Batterie, falls erforderlich.



Fazit

Der LTC3107 arbeitet an Batteriespannungen von 2V bis 4V und ermöglicht so den Einsatz an thermischen Energieernte-Systemen in vielen neuen und bestehenden Applikationen mit Primärzellenversorgung. Hierzu zählen die Long-life-Primärzellen wie sie in Low-Power-Applikationen verwendet werden, wie z.B. 3V-Lithium-Knopfzellen und 3,6V-Lithium-Thionylchlorid-Zellen. Der LTC3107 bietet das Beste aus zwei Welten - die Zuverlässigkeit der Batterieversorgung und die Wartungskosten sparende thermische Energieernte bei geringstem Entwicklungsaufwand.


Dateien:
P350-Fig2.jpg306 K
 


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