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 verlängern - besonders dann, wenn der Energiebedarf gering ist, wenn die Wartungskosten über einen längeren 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 Verfügung stehen, wo hingegen Primärbatterien extrem zuverlässig über ihre Laufzeit arbeiten.



Autor:
Dave Salerno, Linear Technology



Systemdesigner sind zurückhaltend beim Nachrüsten ihrer Systeme mit Ernteenergie, besonders dann, wenn eine nahtlose Integration wichtig ist. Der LTC3107 ist in der Lage, diese Ansicht zu ändern. Und zwar durch die problemlose Verlängerung der Batterielaufzeit durch Hinzufügen von Ernteenergie an bestehende Systeme.


Mit dem LTC3107, einem Point-of-Load Energieernter, benötigt man nur wenig Raum - 3mm × 3mm für das DFN Gehäuse und etwas Platz für wenige externe Komponenten. Mit einer zu den meisten existierenden Primärbatterien passenden Ausgangsspannung kann der LTC3107 adaptiert werden und führt 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 verlängern. In einigen Fällen funktioniert das bis zur Gesamtlebensdauer der Batterie, was gleichzeitig die Wartungskosten verringert, da ein Batteriewechsel entfällt. Der LTC3107 wurde entwickelt, um die Batterielaufzeit zu verlängern, oder auch die Last alleine zu versorgen, abhängig von den Lastkonditionen und der verfügbaren Ernteenergie. Der digitale Ausgang BAT_OFF zeigt ständig an, ob die Batterie die Last versorgt oder nicht. Damit kann das System die Effizienz des Energieernters und die Nutzung der Batterie für 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-Primärzelle mit einer Kapazität von 500mAh versorgt. Diese reicht für etwa 8 Monate kontinuierlichen Betrieb bei einem durchschnittlichen Leistungsbedarf von 250µW.






Bild 2. Drahtloses Sensorsystem mit Batterieversorgung und thermischer Energieernte über den LTC3107 (Dieses Bild können Sie am Ende des Beitrages in Originalgröße einsehen.)



Bild 2 zeigt dasselbe System mit gleicher Batterie und einem auf dem LTC3107-basierten thermischen Energieernter, um die Batterielaufzeit zu verlängern. Bild 3 demonstriert die vorhergesagte Verlängerung der Batterielaufzeit mit dem zusätzlichen thermischen Energieernter, einem 15mm x 15mm thermoelektrischen Generator (TEG) mit einem 24 mm2 messenden Kühlkörper entsprechend des Oberflächentemperatur-bereichs des TEG (bei 23°C Umgebungstemperatur). Ist die Ernteenergie größer als der durchschnittliche Leistungsbedarf für 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 Primärzelle auf 5 bis 10 Jahre verlängert. In diesem Zustand wird die Batterie nur als Referenzspannung für den LTC3107 benötigt, um die Regelung des Ausgangs sicherzustellen.


Wichtig zu wissen ist, dass der LTC3107 in allen Be-triebsbedingungen die Batterie nicht lädt. Beim System in Bild 2, bei dem der TEG mittels Warmpipe oder einem anderem Wärmeleiter an die Ernteenergiequelle angeschlossen ist, liegt die Temperatur nur 12°C über der Umgebungstemperatur. Hier kann der LTC3107 eine 250µW-Last mit Ernteenergie versorgen und es werden Batteriewechsel über die ganze Lebensdauer überflüssig, wie es Bild 3 zeigt.








Bild 4. Ernteverlauf bei PHARVEST > PLOAD


Die Verläufe in Bild 4 zeigen die Batteriespannung und die Ausgangsspannung des LTC3107. Wie man sieht, ist die Ausgangsspannung auf 30mV unter der unbelasteten Batteriespannung reguliert – nahtlos und transparent für die Systemlast. So steht die passende Ausgangsspannung an, für die das System entwickelt wurde. In diesem Zustand bleibt der BAT_OFF Ausgang auf logisch high und zeigt an, dass die Batterie nicht für die Versorgung der Last benötigt 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. Ändert sich die Last dynamisch mit Übergängen von niedrigen auf hohe Werte, ändert 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 benötigt wird. Bild 6 zeigt dies bei einem Lastsprung.








Bild 6. Ernteverlauf wenn ein kurzzeitiger Lasttransient PHARVEST übersteigt



Zur weiteren Batterielaufzeitverlängerung kann der LTC3107 überflüssige Ernteenergie in einem großen Kondensator am VSTORE Pin speichern, dies bei leichten Lasten und zur Unterstützung von VOUT während Perioden großer Last. Um den Einsatz von Supercaps, die typisch eine Maximalspannung von 5V aufweisen zu ermöglichen, ist die Spannung VSTORE intern auf maximal 4,48V geklemmt. Mit diesem zusätzlichen 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 Unterstützung eines starken Lastanstiegs



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


Die Ernteenergieschaltung bleibt unwirksam und belastet die Batterie mit nur 6µA (Bild 5). Um die Batterie vor Kurzschlüssen an VOUT zu schützen, ist der Strom von VBATT zu VOUT auf minimal 30mA und 100mA maximal begrenzt. Somit können stabile Lasten von mindestens 30mA alleine durch die Batterie versorgt werden. Falls nötig, können größere Lasttransienten für eine kurze Zeit mit einem Entkopplungskondensator an VOUT überbrückt werden.


Der stabile Ausgangsstrom eines Energieernters ist von verschiedenen Faktoren abhängig, ist aber primär bestimmt von der Temperaturdifferenz über dem TEG. Zu bemerken ist, dass dies nicht nur eine Funktion der Oberflächentemperatur des TEG und der Umgebungstem-peratur ist, sondern auch vom Wärmewiderstand zum Kühlkörper, 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 Ω ist. Deshalb ist der Strom aus VSTORE auf einige wenige Milliampere begrenzt; große Lasttransienten werden so nicht unterstützt, dies übernimmt der Entkopplungskondensator an VOUT.



Zusätzlich zum BAT_OFF Merkmal bietet der LTC3107 eine zweite Ausgangsspannung für 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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