La recolección de energía se ve principalmente como un método de suministro de energía para el suministro de energía a los dispositivos electrónicos que deben agregarse a la fuente de alimentación u otros que no sean la batería. En muchos casos, las aplicaciones que utilizan colecciones de energía a menudo no tienen espacio suficiente para acomodar grandes volúmenes. Los ejemplos típicos incluyen tecnologías portátiles como dispositivos de fitness y dispositivos de monitorización de la salud, así como nodos de sensores inalámbricos como aplicaciones de monitorización del estado ambiental o estructural.
Por lo general, la energía recolectada de fuentes de energía ambiental, como la energía solar, la vibración o las diferencias de temperatura, debe utilizarse de manera efectiva después de la transición, el refuerzo y el almacenamiento temporal. Hoy en día, una serie de empresas lanzadas por las aplicaciones de recolección de energía y los circuitos integrados de administración de energía están aumentando cada vez más. Pero la presión se enfrenta para garantizar que estos dispositivos estén altamente integrados para facilitar el funcionamiento multifunción, y el tamaño debe ser lo más pequeño posible. No hay duda de que el consumo de energía del propio equipo es muy bajo.
Este artículo describirá las necesidades de miniaturización de los mercados de equipos electrónicos que se pueden usar rápidamente y sus aplicaciones relacionadas, y discutirá recientemente, el cargador elevador BQ25570 con convertidores reductores integrados y una serie de alternativas similares y componentes complementarios. Este artículo hará referencia a la guía del usuario de TI, explicará cómo utilizar eficazmente el dispositivo para ultracen bajo consumo de energía, límite de espacio / peso.
Más funciones Hoy en día, son cada vez más los dispositivos portátiles los que rastrean el plan de acondicionamiento físico para monitorear el estado de salud y brindar condiciones de atención médica y brindar servicios médicos. Como la mayoría de los dispositivos portátiles, esta tendencia promoverá el aumento de las funciones del equipo que esperan los consumidores. Si el dispositivo GPS está integrado en el monitor de frecuencia cardíaca, rastrea el número de anillo de grabación o la ruta de carrera, el monitor de frecuencia cardíaca se verá más favorecido. Actualmente, los modernos equipos portátiles de control de la salud pueden controlar la presión arterial, la temperatura corporal, el contenido de oxígeno en sangre, la frecuencia cardíaca y la actividad.
Figura 1: La recolección de energía será una tecnología clave en muchas aplicaciones de dispositivos electrónicos portátiles.
Izquierda: los calcetines inteligentes de Sensoria, equipados con sensores de presión, pueden comunicarse con los anillos del pie a través de Bluetooth para ayudar a identificar y mejorar las posturas para correr (talón / pie). Otros sensores pueden rastrear registros, velocidad, consumo de calorías, alturas y distancias.
Derecha: Instituto Fraunhofer de I + D El equipo auxiliar portátil para el grupo de personas mayores puede proporcionar una serie de servicios programables como recordatorios de medicamentos, seguimiento de la salud y llamadas de asistencia de emergencia.
La conexión inalámbrica facilita la transferencia y el almacenamiento de los datos recopilados para su posterior análisis. Las redes de sensores inalámbricos, como parte de Internet de las cosas, son esenciales en aplicaciones como edificios inteligentes y monitoreo ambiental, y se deben compilar datos de muchos sensores en estas aplicaciones. Debido a esto, los sensores integrados, los circuitos de radiofrecuencia y los microcontroladores más precisos se encuentran cada vez más en relojes inteligentes, monitores biométricos, productos de etiquetas de identificación, nodos de sensores y otras aplicaciones portátiles o remotas.
Sin embargo, se deben preferir estos dispositivos multifunción, excepto por una duración razonable de la batería, que también requiere peso ligero, tamaño pequeño y comodidad. Los diseñadores han utilizado técnicas de recolección de energía para utilizar de manera efectiva la energía ambiental, como el calor corporal o los pasos, para que la batería continúe cargándose. En ciertos dispositivos (como los dispositivos implantados), la energía recolectada es la única fuente de energía.
Por lo tanto, la recolección de energía puede verse como una tecnología espacial práctica que puede usarse como alternativa a la batería y puede lograr un volumen menor de batería recargable. Para cualquier dispositivo que funcione con la batería o la energía suministrada, la administración de energía es muy importante. Para garantizar un rendimiento óptimo y operaciones de alta eficiencia mediante un alto consumo de energía, generalmente fuentes de alimentación irregulares, se requiere cierta precisión y precisión. Varios fabricantes de circuitos integrados se han dirigido a este mercado, incluidos los dispositivos lineales avanzados, Cymbet, tecnología lineal, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics y Texas Instruments.
En comparación con la generación anterior de energía, la nueva generación de fuentes de alimentación es mayor, el volumen es menor y el consumo de energía es menor. En teoría, el dispositivo obtendrá la energía resultante, y luego la conversión y / o impulso, y finalmente la suministrará directamente al sistema o dispositivo de almacenamiento de energía recargable. Algunos diseños se pueden dedicar a un tipo de dispositivo de almacenamiento de energía, como un supercondensador o un botón de iones de litio. También hay otros diseños que admiten múltiples dispositivos de almacenamiento de energía. De manera similar, algunos diseños pueden estar dedicados a una forma de recolección de energía, y hay otros diseños que admiten múltiples formas de energía.
Un punto a destacar es el voltaje de arranque requerido para diferentes aplicaciones. Algunas aplicaciones se inician a 20 mV, pero la funcionalidad puede ser limitada y se requieren componentes complementarios adicionales para proporcionar una administración de energía suficiente. Los componentes con mayor integración pueden tener un tamaño más pequeño y la corriente estática general es menor, pero puede ser necesario un voltaje de arranque más alto para que sea más dependiente del nivel más bajo de energía de almacenamiento. Algunos dispositivos son muy específicos, dedicados a nodos de sensores de potencia ultrabaja. Otros dispositivos admitirán niveles de voltaje de entrada más altos para cumplir con los requisitos basados en equipos de microcontroladores, pero para las aplicaciones de recolección de energía, estos microdispositivos en sí son muy bajos.
Es importante que el IC de administración de energía sea lo suficientemente flexible para manejar la energía intermitente y la energía recolectada (a menudo inestable y, a menudo, recolectando la cantidad). Esto debe tenerse en cuenta en el diseño del sistema, es decir, suficiente capacidad de almacenamiento de energía, es posible proporcionar electricidad constante cuando sea necesario. Esto depende en gran medida de la frecuencia de lectura del sensor y la cantidad de transmisión de datos y la frecuencia de transmisión.
Alta integración Texas INSTRUMENTS ofrece una variedad de microdispositivos de potencia ultrabaja para aplicaciones de recolección de energía, incluidos circuitos integrados de administración de energía, conexiones inalámbricas y microcontroladores. El último BQ25570 de la compañía es una colección de energía altamente integrada de una solución de administración de energía femto. Cumple con todos los estándares con técnicas de recolección de energía y con todos los estándares para aplicaciones de energía restringida.
El dispositivo es compacto, utiliza un paquete QFN de 3.5 x 3.5 mm de 20 cables, la corriente estática de potencia ultrabaja es 488 NA (valor típico) y el modo de transporte es. 1881.5 NA. Además, también hay un módulo de evaluación BQ25570EVM. Para obtener información detallada sobre productos y aplicaciones, consulte la guía del usuario de la placa de evaluación y especificaciones del equipo 2.
El dispositivo aún requiere un condensador y una resistencia externos, pero debido a la alta integración, puede minimizar la necesidad de equipos adicionales. El aparato es ideal para redes de sensores inalámbricos con requisitos operativos y de potencia exigentes, que implementan soluciones de cargador de impulso de modulación de frecuencia de pulso de alta energía (PFM) y convertidor de potencia femto. Consulte la Figura 2 a continuación: El aparato se puede utilizar junto con una variedad de energía de alta impedancia, incluida la fotovoltaica (solar), el generador termoeléctrico (TEG) y el rectificador de CA / CC y los generadores piezoeléctricos. Desde el estado de arranque en frío, el voltaje mínimo del cargador / convertidor elevador de CC / CC del dispositivo es de 330 mV. Su hipótesis se basa en: la fuente de alimentación de entrada proporciona al menos 5 μW (típico) y la salida del convertidor de carga es menos de 1 μA de corriente de fuga (incluida la corriente de fuga del elemento de almacenamiento). Sin embargo, la tensión de salida del convertidor elevador alcanza 1.8 V después de su funcionamiento, y la tensión de 100 MV requerida para el dispositivo se puede obtener de la fuente de recolección de energía.
El convertidor reductor se obtiene primero de la salida del convertidor elevador para obtener la potencia de entrada, luego realiza un proceso de reducción y finalmente proporciona un voltaje de ajuste para el pin de salida. El convertidor reductor utiliza el control PFM para ajustar el voltaje y permitir que se acerque al valor establecido por el divisor de voltaje del resistor programable por el usuario. La corriente a través del inductor está controlada por el circuito de detección de corriente interno. Desde el momento del modo de entrega, el tiempo es de aproximadamente 100 ms, desde el modo de espera comienza más rápido, pero esto depende del tamaño del condensador de salida.
BQ25570 se puede utilizar con una variedad de dispositivos de almacenamiento, incluidos condensadores, supercondensadores, baterías de iones de litio y otras baterías químicas. Cuando el sistema está en modo de reposo o de baja potencia, el colector proporcionará suficiente energía eléctrica para cargar el elemento de almacenamiento. Cuando el colector de energía no está funcionando, la batería o el condensador deben tener suficiente energía para alimentar toda la carga del sistema. Se requiere un elemento de almacenamiento de condensador equivalente de 100 μF para filtrar la corriente de pulso del cargador de conmutación PFM.
Según la guía del usuario de TI, la principal diferencia entre la batería y el supercondensador es que hay pocos en la batería, e incluso menos de una cierta cantidad de voltaje, y hay un supercondensador. Los diseñadores de sistemas deben tener en cuenta que existe una corriente de fuga significativa, que es equivalente a una carga de CC en la salida del convertidor elevador.
El seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) se refiere a la energía y la gestión más potentes de la célula fotovoltaica (70 a 80%) y TEG (50%). Otras funciones que incluye la gestión de alta eficiencia energética del equipo a batería: protección contra sobretensión y subtensión de la batería, apagado térmico automático de la batería recargable de iones de litio. El monitoreo preciso del estado de la batería es otra característica importante. Si el sistema puede entrar en un estado de subtensión, también es necesario activar la función de caída de corriente de carga.
Equipo alternativo y equipo complementario Las funciones BQ25504 y BQ25505 lanzadas por Ti son similares, pero la corriente de reposo es inferior a 325 NA. Ambos dispositivos están equipados con un controlador de compuerta multiplexor multiplexor de energía autónoma, una vez iniciado, lo que permite que el sistema obtenga energía de fuentes de recolección de energía y baterías primarias, asegurando que se proporcione energía constante cuando sea necesario, incluso cuando el colector no esté disponible. también funcionan correctamente. La corriente estática ultrabaja es muy importante cuando el sistema no se puede apagar, por lo que la vida útil de la batería se puede extender.
Si el tamaño y el peso son un problema, TI recomienda BQ25100, que es un cargador de batería lineal con una potencia más baja, especialmente adecuado para botones individuales de iones de litio. El dispositivo está encapsulado por WCSP de 0.9 x 1.6 mm, admite un voltaje de entrada de hasta 30 V, lo que permite controlar con precisión la corriente de carga rápida entre 10 mA y 250 mA.
Los módulos de convertidor reductor del equipo complementario TPS82740A y TPS8274B admiten una corriente de salida de 200 mA, la eficiencia de conversión es tan alta como 95%, la corriente de reposo consumida es de solo 360 NA y 70 NA es 70 NA. El paquete de 6.7 mm2 contiene un regulador de conmutación, un inductor y un condensador de E / S. Al integrar todos los dispositivos pasivos necesarios, el volumen del dispositivo es un 75% más pequeño que la misma solución discreta. El TPS82740A es una aplicación de voltaje ultra bajo y el TPS8274B tiene la función "Control DCS", que es adecuada para la administración de energía, como Ti, por ejemplo, Ti. Serie MSP430.
en conclusión Para seleccionar una aplicación portátil de tecnología de recolección de energía, seleccione el IC de administración de energía apropiado, debe considerar cuidadosamente los requisitos de energía del sistema, el potencial de generación de energía y la capacidad de almacenamiento de energía. En los extremos bajos del rango de potencia (como los nodos de sensores inalámbricos), o si la energía generada por el TEG es muy pequeña, la selección del dispositivo es más limitada. Si el tamaño pequeño y el peso ligero son la mejor prioridad, seleccione una integración más alta, como varios de este artículo, quizás la mejor solución.
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