08.01.2016

Low-Power-Wandlung fĂŒr Energy Harvesting

Auf der Welt gibt es genĂŒgend Umgebungsenergie und der konventionelle Ansatz fĂŒr 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 verfĂŒgbar ist, sie zu speisen.



Autor: Tony Armstrong, Linear Technology Corporation


Thermoelektrische Generatoren wandeln z.B. WĂ€rme in ElektrizitĂ€t, 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 DĂŒnnschichtbatterien 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 fĂŒr 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-1”A Bereich arbeiten - extrem selten am Markt.


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

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




Dimensionierung der Systeme

WSNs sind grundsÀtzlich 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 fĂŒr den Betrieb benötigt? Konzeptionell eine einfache Sache, in der RealitĂ€t 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 fĂŒr eine Sensorabfrage mit nachfolgender Übertragung. Viele Faktoren beeinflussen die Verbrauchscharakteristik von Energieerntesystemen oder WSNs, und die mĂŒssen beachtet werden.



Die von einer Energieerntequelle gelieferte Energie ...

ist davon abhĂ€ngig, wie lang die Umgebungsenergiequelle verfĂŒgbar ist. Deshalb ist der primĂ€re Parameter beim Vergleich dieser Quellen die Leistungsdichte, nicht die Energiedichte. Energieernte liefert generell niedrige, verĂ€nderliche und nicht vorhersagbare Pegel an Leistung, deshalb wird oft eine hybride Struktur verwendet, die die Energieernte mit einem sekundĂ€ren Speicher verbindet. Die Energieernte ist dabei die erste Quelle im System, da sie unbegrenzt Energie liefert und weniger Leistung.


Der sekundĂ€re Speicher, eine Batterie oder ein Kondensator, liefert - wenn erforderlich - die grĂ¶ĂŸere Leistung, speichert aber weniger Energie und muss stĂ€ndig vom Energieerntesystem geladen werden. Steht keine Umgebungsenergie zur VerfĂŒgung, springt der sekundĂ€re Speicher ein und versorgt das WSN.


Aus Sicht des Entwicklers fĂŒhrt das zu einer höheren KomplexitĂ€t, da er ĂŒberlegen muss, wie viel Energie im SekundĂ€rspeicher vorhanden sein muss, um bei Ausfall der Umgebungsenergiequelle den Betrieb aufrecht zu halten.



Funktionieren trotz wenig Energie

WSNs mĂŒssen mit wenig Energie auskommen. Das bedeutet auch, dass die beteiligten Komponenten im System in der Lage sein mĂŒssen, mit geringer Energie auszukommen. Transceiver und Mikrocontroller erfĂŒllen 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 erfĂŒllen.


Der LTC3388-1/-3 ist ein synchroner Buckwandler fĂŒr 20V Eingang, er liefert bis zu 50mA kontinuierlich am Ausgang aus einem 3mm x 3mm (oder MSOP10-E) GehĂ€use (Bild1). Er arbeitet an 2,7V bis 20V, ist so gut geeignet fĂŒr 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 fĂŒr optimale Effizienz ĂŒber einen breiten Laststrombereich. Er liefert ĂŒber 90% Effizienz fĂŒr Lasten von 15”A bis 50mA und benötigt einen Ruhestrom von nur 400nA. Er ermöglicht so lĂ€ngere Batterielaufzeiten bei Hilfsspannungsversorgung. Der LT3388-1/-3 beinhaltet ein prĂ€zises 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 zusÀtzliche 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 fĂŒr Energieernteanwendungen geeignet, bei denen bei der Versorgung von Sensoren und drahtlosen Modems lange Ladezyklen zusammen mit kurzzeitigen LastsprĂŒngen 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 lÀdt. Der LTC4071 ist ein Shunt-Batterieladesystem mit integriertem Batteriepack-Schutz und Abschaltung der Batterie zum Schutz dieser bei geringer KapazitÀt, um SchÀden durch Selbstentladung zu verhindern.


Es ist ein einfacher und trotzdem fortschrittlicher Lade- und Schutz-IC fĂŒr 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 DĂŒnnschichtbatterien. Der IC wird in einem 8-Pin 2mm x 3mm DFN-GehĂ€use geliefert und ist eine komplette und kompakte Ladelösung, die nur einen externen Widerstand in Serie mit der Eingangsspannung benötigt.



FĂŒr portable Applikationen und Energieerntesysteme ...

mit einem breiten Arbeitsbereich von Mikrowatt bis >1W gibt es viele Energieumwandlungs-ICs, die fĂŒr den Entwickler zur Auswahl stehen. Am unteren Leistungsende im Nanopowerbereich wird es aber eng bei der Auswahl. GlĂŒcklicherweise gibt es aber fĂŒr 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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