08.01.2016

Low-Power-Wandlung für Energy Harvesting

Auf der Welt gibt es genügend Umgebungsenergie und der konventionelle Ansatz für die Energieernte erfolgt mit Solarzellen und Windgeneratoren. Neue Erntetools ermöglichen uns aber, elektrische Energie aus weiteren Umgebungsquellen zu gewinnen. Dabei ist nicht die Umsetzungseffizienz der Wandlerschaltungen wichtig sondern der Betrag, der durchschnittlich geernteten Energie, die verfügbar ist, sie zu speisen.



Autor: Tony Armstrong, Linear Technology Corporation


Thermoelektrische Generatoren wandeln z.B. Wärme in Elektrizität, Piezoelemente wandeln mechanische Vibration, Photovoltaik Sonnenlicht (oder jede Photonenquelle) und galvanische Elemente erzeugen Energie aus Feuchtigkeit. Somit werden abgesetzte Sensoren möglich, oder es können Speicher wie Kondensatoren oder Dünnschichtbatterien aufgeladen werden, so dass man Mikroprozessoren oder Transmitter in abgelegenen Orten mit lokalen Quellen versorgen kann.


Am unteren Ende des Leistungsspektrums, wo die Nanopowerumsetzung in WSNs (Wireless Sensor Networks) und in Sensoren mehr und mehr verwendet wird, ergibt sich die Notwendigkeit für Wandler-ICs, die an geringen Pegeln bei geringen Strömen arbeiten. Es sind oft nur 10tel mW und Nanoampere an Strom. Jedoch sind solche Wandlerprodukte - einschließlich Batterielader, die im Sub-1µA Bereich arbeiten - extrem selten am Markt.


Die generellen Anforderungen an die Leistung der ICs für solche Applikationen sind folgende:

  • Niedrige Standby-Ruheströme - typisch kleiner 6µA bis hinunter zu 450nA
  • Niedrige Startup-Spannungen - herunter bis 20mV
  • Eignung für hohe Eingangsspannung - bis zu 34V kontinuierlich und für Transienten bis 40V
  • Eignung für Eingangswechselspannung
  • Mehrfachausgänge und autonomes System-Powermanagement
  • Maximum Power Point Steuerung (MPPC) für Solarquellen
  • Kompakte Lösung mit minimalen externen Komponenten




Dimensionierung der Systeme

WSNs sind grundsätzlich selbstversorgte Systeme aus Transducern zur Wandlung der Umgebungsenergie in elektrische Signale, normal gefolgt von einem DC/DC-Wandler und einem Managementsystem, um die nachfolgende Elektronik mit Spannung und Strom zu versorgen. Diese Elektronik besteht meist aus einem Mikrocontroller, einem Sensor und einem Transceiver.


Bei der Einrichtung eines WSNs, gibt es eine gute Frage: Wieviel Energie wird für den Betrieb benötigt? Konzeptionell eine einfache Sache, in der Realität jedoch etwas schwieriger wegen einiger Faktoren: z.B. wie oft werden Daten ausgelesen - oder noch wichtiger - wie groß sind die Datenpakete und wie viel Leistung wird benötigt, um sie zu senden?


Der Transceiver benötigt etwa 50% der Energie eines Systems für eine Sensorabfrage mit nachfolgender Übertragung. Viele Faktoren beeinflussen die Verbrauchscharakteristik von Energieerntesystemen oder WSNs, und die müssen beachtet werden.



Die von einer Energieerntequelle gelieferte Energie ...

ist davon abhängig, wie lang die Umgebungsenergiequelle verfügbar ist. Deshalb ist der primäre Parameter beim Vergleich dieser Quellen die Leistungsdichte, nicht die Energiedichte. Energieernte liefert generell niedrige, veränderliche und nicht vorhersagbare Pegel an Leistung, deshalb wird oft eine hybride Struktur verwendet, die die Energieernte mit einem sekundären Speicher verbindet. Die Energieernte ist dabei die erste Quelle im System, da sie unbegrenzt Energie liefert und weniger Leistung.


Der sekundäre Speicher, eine Batterie oder ein Kondensator, liefert - wenn erforderlich - die größere Leistung, speichert aber weniger Energie und muss ständig vom Energieerntesystem geladen werden. Steht keine Umgebungsenergie zur Verfügung, springt der sekundäre Speicher ein und versorgt das WSN.


Aus Sicht des Entwicklers führt das zu einer höheren Komplexität, da er überlegen muss, wie viel Energie im Sekundärspeicher vorhanden sein muss, um bei Ausfall der Umgebungsenergiequelle den Betrieb aufrecht zu halten.



Funktionieren trotz wenig Energie

WSNs müssen mit wenig Energie auskommen. Das bedeutet auch, dass die beteiligten Komponenten im System in der Lage sein müssen, mit geringer Energie auszukommen. Transceiver und Mikrocontroller erfüllen diese Anforderung bereits. Bei Energieumwandlungs- und Batterieladelösungen ergibt sich aber ein anderes Bild. Linear Technology hat die ICs LTC3388-1/-3 und LTC4071 entwickelt, um diese speziellen Anforderungen zu erfüllen.


Der LTC3388-1/-3 ist ein synchroner Buckwandler für 20V Eingang, er liefert bis zu 50mA kontinuierlich am Ausgang aus einem 3mm x 3mm (oder MSOP10-E) Gehäuse (Bild1). Er arbeitet an 2,7V bis 20V, ist so gut geeignet für viele Energieernten und batterieversorgte Applikationen einschließlich “Keep-alive”-Sensoren und Industriesteuerungen.






Bild 1: Typische Applikation mit dem LTC3388-1/-3



Technische Details

Der LTC3388-1/-3 nutzt synchrone Gleichrichtung für optimale Effizienz über einen breiten Laststrombereich. Er liefert über 90% Effizienz für Lasten von 15µA bis 50mA und benötigt einen Ruhestrom von nur 400nA. Er ermöglicht so längere Batterielaufzeiten bei Hilfsspannungsversorgung. Der LT3388-1/-3 beinhaltet ein präzises Unterspannungs-Lock-out-Merkmal (ULVO), das den Wandler unter 2,3V abschaltet auf einen Ruhestrom von nur 400nA.


Ist er im Regelzustand und keine Last liegt an, geht er in einen Schlafmodus, der dann nur 720nA benötigt. Der Buckwandler schaltet zur Regelung des Ausgangs dann ein und aus. Der zusätzliche Standby-Modus deaktiviert die Wandlung, wenn der Ausgang kurzzeitig belastet wird, wie es bei drahtlosen Modems der Fall ist.


Die hohe Effizienz und der niedrige Ruhestrom sind für Energieernteanwendungen geeignet, bei denen bei der Versorgung von Sensoren und drahtlosen Modems lange Ladezyklen zusammen mit kurzzeitigen Lastsprüngen auftreten.



Shunt-Batterieladesystem

Oft werden Batterien in WSNs als Back-up eingesetzt. Die nicht ganz triviale Herausforderung beim Design ist jedoch, wie man aus Low-Power-Quellen effizient lädt. Der LTC4071 ist ein Shunt-Batterieladesystem mit integriertem Batteriepack-Schutz und Abschaltung der Batterie zum Schutz dieser bei geringer Kapazität, um Schäden durch Selbstentladung zu verhindern.


Es ist ein einfacher und trotzdem fortschrittlicher Lade- und Schutz-IC für Lithium-Ion/Polymer-Batterien. Sein niedriger Betriebsstrom von 550nA ermöglicht Ladung mit bislang unbrauchbar niedrigen Strömen aus intermittierenden oder kontinuierlichen Ladequellen, wie es bei Energieernteapplikationen der Fall ist. Ein interner thermischer Batteriekonditioner reduziert das Floaten der Spannung bei erhöhter Batterietemperatur.


Das dient dem Schutz der Li-Ion/Polymer-Zellen, von Knopfzellen oder Dünnschichtbatterien. Der IC wird in einem 8-Pin 2mm x 3mm DFN-Gehäuse geliefert und ist eine komplette und kompakte Ladelösung, die nur einen externen Widerstand in Serie mit der Eingangsspannung benötigt.



Für portable Applikationen und Energieerntesysteme ...

mit einem breiten Arbeitsbereich von Mikrowatt bis >1W gibt es viele Energieumwandlungs-ICs, die für den Entwickler zur Auswahl stehen. Am unteren Leistungsende im Nanopowerbereich wird es aber eng bei der Auswahl. Glücklicherweise gibt es aber für den Entwickler jetzt auch eine Auswahl an Energieumwandlungs- und Batterieladelösungen mit Ruheströmen im Bereich von Mikroampere, die die Batterielebensdauer in “Keep-alive”-Schaltungen in Low-Power-Sensoren und in den neuen Generationen von WSNs versorgen.


 


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