česky english Vítejte, dnes je neděle 16. květen 2021

Nízkopříkonové zdroje pro sběr energie

DPS 6/2015 | Vývoj - články
Autor: Tony Armstrong, Linear Technology

Přesto, že se všude kolem nás nachází velké množství energie, konvenční přístupy k jejímu využití se po dlouhou dobu omezovaly pouze na solární panely a větrné elektrárny. Nicméně, nové nástroje pro sběr a uchovávání energie umožňují její výrobu i z celé řady jiných a méně obvyklých zdrojů. Kromě toho, že základním a zároveň klíčovým parametrem obvodů je jejich převodní účinnost, je velikost dostupné energie závislá také na typu zdroje, který je pro ni využit. Tak například, termoelektrické generátory přeměňují teplo na elektřinu, piezo prvky využívají mechanické vibrace, fotovoltaika přeměňuje sluneční záření (nebo jiný zdroj fotonů) a například galvanické zdroje využívají energii z vlhkosti. Díky tomu je možné napájet bezdrátové senzory i v místech, kde není dostupný obvyklý zdroj energie. Pro její uchování lze využít například kondenzátory nebo tenkovrstvé baterie, takže mikroprocesor nebo vysílač mají dostatek energie po celou dobu provozu.

Je však nutné podotknout, že se jedná o obvody z tzv. „nízkého“ konce výkonového spektra. Nízkopříkonové konvertory ve WSN a snímačích jsou stále běžnější záležitostí, umožňující konverzi energie pro integrované obvody s velmi nízkou úrovní výkonu. Ty často musí pracovat po omezenou dobu (například 10 s) s jednotkami mikrowattů, resp. nanoampér. Nicméně, dostupnost takových konvertorů a nabíjecích obvodů, které jsou vhodné pro provoz s proudem pod 1 μA, je stále omezena.

V obecné rovině lze říci, že klíčovými vlastnostmi IO pro použití v těchto aplikacích jsou:

  • nízké klidové proudy ve standby režimu – typicky méně než 6 μA, případně až 450 nA
  • nízké spouštěcí napětí – od hranice 20 mV
  • podpora vysokého vstupního napětí – až do 34 V trvale, příp. 40 V krátkodobě
  • možnost přivedení AC napětí na vstup
  • podpora více výstupů pro autonomní systém správy napájení
  • maximum Power Point Control (MPPC) pro solární panely
  • kompaktní řešení – hardware s minimem externích součástek

Obvody skupiny WSN jsou v podstatě uzavřeným systémem, skládajícím se z nějakého snímače převádějícím energii vnějšího zdroje na elektrický signál, obvykle následovaným DC/DC konvertorem a regulátorem, dodávajícím připojeným obvodům vhodnou úroveň napětí a proudu. Mezi připojené obvody patří obvykle nízkopříkonový mikrokontrolér, senzor a vysílač.

Obr. 1 Typické aplikační schéma

Při návrhu implementace WSN systému je třeba položit si základní otázku: kolik energie budeme pro provoz potřebovat? Koncepčně se to zdá být jednoduchou otázkou. Ve skutečnosti jsme však ovlivněni celou řadou faktorů. Například, jak často je třeba provádět čtení hodnot? Nebo ještě důležitější faktor – jaká bude velikost datového paketu a kolik energie je potřeba pro jeho přenos? Jde o to, že v praxi transceiver spotřebovává přibližně 50 % energie, kterou spotřebuje celý systém pro čtení a přenos hodnoty z jediného snímače. Faktorů, ovlivňujících spotřebu energie systému WSN je tedy celá řada a všechny je třeba vzít v úvahu.

Je jasné, že velikost energie dodávané podobným typem zdroje je výrazně závislá na tom, jak dlouho je daný zdroj k dispozici. Z tohoto důvodu je primárním měřítkem pro srovnání zdrojů pro sběr energie hodnota výkonu, nikoliv energie. Sběr energie z okolního prostředí obecně podléhá nízké, proměnlivé, a především nepředvídatelné úrovni dostupného výkonu, takže se obvykle jedná o hybridní systém se sekundárním energetickým zásobníkem. Sběrač energie je potřebný, protože jeho zdroj je obvykle neomezený jak v množství energie, tak i výkonu. Sekundární zásobník energie, a to buď baterie, nebo kondenzátor, poskytuje vyšší výstupní výkon tím, že ukládá část energie ze zdroje, kterou je schopen následně vydat v případě potřeby. V okamžiku, kdy není k dispozici žádná okolní energie, ze které by mohl systém pracovat, je pro napájení WSN použit sekundární zásobník. Z pohledu konstruktéra se samozřejmě jedná o práci navíc, neboť jde o další stupeň, u kterého je rovněž potřeba definovat množství uložené energie, které je schopné kompenzovat nedostatek primárního zdroje.

Je jasné, že WSN musí mít jen tak nízkou spotřebu energie, jak je to jen možné. To klade velký důraz na všechny části celého systému, které musí být schopny vypořádat se s nízkou úrovní dostupného výkonu. V současné době jsou na trhu k dispozici celé řady možných kombinací vysílačů, přijímačů a mikroprocesorů, vhodných pro tento druh aplikací. Větší problém je v oblasti konverze energie a obvodech pro nabíjení baterií, kde se takové produkty objevují mnohem méně. Nicméně i zde jsou již dostupné zajímavé obvody, jako jsou například LTC3388-1/-3 a LTC4071 od společnosti Linear Technology, které řeší právě tyto požadavky.

Synchronní snižující regulátory LTC3388-1/-3, se vstupem až do 20 V, mohou dodávat trvalý výstupní proud až 50 mA při velikosti pouzdra pouhých 3 × 3 mm (nebo MSOP10-E) – viz obr. 1. Obvody pracují se vstupním napětím v rozsahu 2,7 až 20 V, jsou tedy ideální pro širokou škálu sběračů energie a bateriově napájených aplikací, včetně systémů „keep-alive“, senzorových a řídicích průmyslových aplikací.

LTC3388-1/-3 využívají hysterezní synchronní rektifikaci optimalizující účinnost v širokém rozsahu výstupních proudů. Výsledkem je více než 90% účinnost pro zatížení od pouhých 15 μA až po 50 mA, přičemž obvody samotné vyžadují pouze 400 nA klidového proudu. Díky tomu mohou zajistit delší životnost napájecí baterie, pokud ta je použita například pro pomocné napájení.

Součástí obvodů LT3388-1/-3 je také přesný detektor podpětí lock-out (ULVO) zajišťující vypnutí měniče při poklesu vstupního napětí pod úroveň 2,3 V, kdy celková klidová spotřeba klesne na pouhých 400 nA. Také při provozu (bez zátěže) přechází obvody LTC3388-1/-3 pravidelně do režimu spánku, ve kterém minimalizují klidový proud systému na pouhých 720 nA. Snižující převodník je v tomto okamžiku pravidelně zapínán a vypínán pouze pro udržení regulace výstupního výkonu. Další z dostupných pohotovostních režimů může na krátkou dobu deaktivovat spínaný měnič, pokud je na výstupu vyžadováno minimální zvlnění (například pro bezdrátový modul). Takto navržené obvody s vysokou účinností a nízkým klidovým proudem jsou ideální pro aplikace sběru energie, které vyžadují dlouhé nabíjecí cykly prokládané krátkodobým nárůstem spotřeby pro napájení senzorů a bezdrátových modulů.

V řadě případů WSN aplikací se jako pomocné záložní zdroje energie používají baterie a akumulátory. Nicméně jejich nabíjení z i tak dost omezených zdrojů energie může být poměrně náročným úkolem! Řešení mohou poskytnout obvody LTC4071 – paralelní nabíjecí systémy, které zahrnují integrovanou ochranu akumulátoru a funkci odpojení baterie v případě jejího vybití, jako ochranu před poškozením v důsledku samovybíjení. V zásadě se jedná o jednoduché, ale důmyslné nabíjecí a ochranné obvody pro Lithium-Ion/polymerové baterie. Jejich provozní proud pouhých 550 nA umožňuje nabíjení z dříve nepoužitelného, velmi malého proudu, kontinuálního, nebo i přerušovaného zdroje, jako jsou právě obvod sběru energie. Vnitřní termální kondicionér baterie snižuje plovoucí napětí chránící Li-Ion/polymerové články, knoflíkové baterie nebo tenkovrstvé baterie při zvýšených provozních teplotách. Obvody LTC4071 jsou dostupné v malém 8pinovém DFN pouzdře s rozměry pouhých 2 × 3 mm. Přitom poskytují kompletní a ultrakompaktní řešení nabíjení baterií s pouhým jediným externím odporem, řazeným v sérii se vstupním napětím.

Jelikož dnes mají přenosné aplikace a systémy pro získávání energie širokou škálu výkonových úrovní, sahající od jednotek mikrowattů až po více než 1 W, jsou na trhu dostupné nejrůznější napájecí obvody dle přesných požadavků konstruktéra. Nesmíme však zapomenout na to, že se pohybujeme na samotném dolním konci výkonového spektra, které spadá již do oblasti nanopower zařízení, takže zde musíme počítat s určitými omezeními.

Naštěstí dnes existuje již řada napájecích převodníků a obvodů nabíjení baterií, které mají konstruktéři k dispozici. Vybírat přitom mohou z obvodů s vlastní spotřebou i menší než 1 μA zajišťujících prodloužení životnosti napájecí baterie pro autonomní systémy nízkopříkonových senzorů a WSN obvodů nové generace.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik