Thu năng lượng chủ yếu được xem như một phương pháp cung cấp năng lượng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử cần được bổ sung vào nguồn điện hoặc không phải là pin. Trong nhiều trường hợp, các ứng dụng sử dụng bộ sưu tập năng lượng thường không có đủ không gian để chứa khối lượng lớn. Ví dụ điển hình bao gồm các công nghệ có thể đeo được như tiện ích thể dục và thiết bị theo dõi sức khỏe, cũng như các nút cảm biến không dây như ứng dụng giám sát tình trạng môi trường hoặc cấu trúc.
Thông thường, năng lượng thu được từ các nguồn năng lượng môi trường như năng lượng mặt trời, độ rung hoặc chênh lệch nhiệt độ, cần được sử dụng hiệu quả sau quá trình chuyển đổi, tăng cường và lưu trữ tạm thời. Ngày nay, số lượng các công ty ra đời nhờ các ứng dụng thu thập năng lượng và các mạch tích hợp quản lý năng lượng đang ngày càng gia tăng. Nhưng áp lực đang phải đối mặt, để đảm bảo rằng các thiết bị này được tích hợp cao để tạo điều kiện hoạt động đa chức năng và kích thước phải nhỏ nhất có thể. Chắc chắn rằng mức tiêu thụ điện năng của chính thiết bị là rất thấp.
Bài viết này sẽ phác thảo nhu cầu thu nhỏ của thị trường thiết bị điện tử có thể đeo nhanh chóng và các ứng dụng liên quan của chúng, đồng thời thảo luận gần đây về bộ sạc tăng áp BQ25570 với bộ chuyển đổi buck tích hợp và một loạt các lựa chọn thay thế tương tự và các thành phần bổ sung. Bài viết này sẽ đề cập đến hướng dẫn sử dụng của TI, giải thích cách sử dụng hiệu quả thiết bị để giới hạn năng lượng cực thấp, không gian / trọng lượng.
Nhiều tính năng hơn Ngày nay, ngày càng có nhiều thiết bị đeo được theo dõi kế hoạch tập thể dục để theo dõi tình trạng sức khỏe và cung cấp các điều kiện chăm sóc sức khỏe và cung cấp dịch vụ y tế. Như hầu hết các thiết bị di động, xu hướng này sẽ thúc đẩy sự gia tăng các chức năng của thiết bị với mong đợi của người tiêu dùng. Nếu thiết bị GPS được tích hợp trong máy đo nhịp tim, theo dõi số vòng ghi hoặc lộ trình chạy thì máy đo nhịp tim sẽ được ưu ái hơn. Hiện nay, thiết bị theo dõi sức khỏe đeo hiện đại có thể theo dõi huyết áp, nhiệt độ cơ thể, hàm lượng oxy trong máu, nhịp tim và hoạt động.
Hình 1: Thu thập năng lượng sẽ là công nghệ then chốt trong nhiều ứng dụng thiết bị điện tử đeo được.
Trái: Vớ thông minh của Sensoria, được trang bị cảm biến áp suất, có thể giao tiếp với vòng chân qua Bluetooth giúp xác định và cải thiện tư thế chạy (gót chân / bàn chân). Các cảm biến khác có thể theo dõi hồ sơ, tốc độ, lượng calo tiêu thụ, chiều cao và khoảng cách.
Phải: Viện Fraunhofer R & D Thiết bị phụ trợ đeo được cho nhóm người cao tuổi có thể cung cấp một loạt các dịch vụ có thể lập trình như nhắc thuốc, theo dõi sức khỏe và các cuộc gọi hỗ trợ khẩn cấp.
Kết nối không dây giúp dễ dàng truyền và lưu trữ dữ liệu đã thu thập để phân tích sau này. Mạng cảm biến không dây là một phần của Internet of Things, rất cần thiết trong các ứng dụng như tòa nhà thông minh và giám sát môi trường, và dữ liệu từ nhiều cảm biến trong các ứng dụng này phải được tổng hợp. Do đó, các cảm biến tích hợp, mạch tần số vô tuyến và bộ vi điều khiển chính xác hơn ngày càng gia tăng trong đồng hồ thông minh, màn hình sinh trắc học, các sản phẩm thẻ ID, nút cảm biến và các ứng dụng có thể đeo hoặc từ xa khác.
Tuy nhiên, những thiết bị đa chức năng như vậy nên được ưa chuộng, ngoại trừ thời lượng pin hợp lý, nó còn yêu cầu trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và thoải mái. Các nhà thiết kế đã sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng để sử dụng hiệu quả năng lượng môi trường như nhiệt cơ thể hoặc bước chân, để pin tiếp tục sạc. Trong một số thiết bị nhất định (chẳng hạn như thiết bị cấy ghép), năng lượng thu được là nguồn năng lượng duy nhất.
Do đó, thu thập năng lượng có thể được coi là một công nghệ thực tế trong không gian có thể được sử dụng thay thế cho pin và có thể đạt được khối lượng pin sạc nhỏ hơn. Đối với bất kỳ thiết bị nào được cung cấp bởi pin hoặc năng lượng được cung cấp, việc quản lý nguồn điện là rất quan trọng. Để đảm bảo hiệu suất tối ưu và hoạt động hiệu quả cao bởi mức tiêu thụ điện năng cao, thường là các bộ nguồn không thường xuyên, đòi hỏi độ chính xác và độ chính xác nhất định. Một số nhà sản xuất vi mạch đã nhắm mục tiêu thị trường này, bao gồm Thiết bị tuyến tính nâng cao, Cymbet, Công nghệ tuyến tính, Tích hợp tối đa, Spansion, StMicroelectronics và Texas Instruments.
So với thế hệ bộ nguồn cũ, bộ nguồn thế hệ mới cao hơn, khối lượng nhỏ hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn. Về lý thuyết, thiết bị sẽ nhận năng lượng thu được, sau đó chuyển đổi và / hoặc tăng cường, cuối cùng cung cấp trực tiếp cho hệ thống hoặc thiết bị lưu trữ năng lượng có thể sạc lại. Một số thiết kế có thể dành riêng cho một loại thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện hoặc nút ion lithium. Ngoài ra còn có các thiết kế khác hỗ trợ nhiều thiết bị lưu trữ năng lượng. Tương tự, một số thiết kế có thể dành riêng cho một dạng thu năng lượng và có những thiết kế khác hỗ trợ nhiều dạng năng lượng.
Một trọng tâm cần lưu ý là điện áp khởi động cần thiết cho các ứng dụng khác nhau. Một số ứng dụng được khởi động đến 20 mV, nhưng chức năng có thể bị hạn chế và các thành phần bổ sung bổ sung được yêu cầu để cung cấp đủ năng lượng quản lý. Các thành phần có tích hợp cao hơn có thể có kích thước nhỏ hơn và dòng điện tĩnh tổng thể thấp hơn, nhưng có thể yêu cầu điện áp khởi động cao hơn để làm cho nó phụ thuộc nhiều hơn vào mức năng lượng lưu trữ thấp nhất. Một số thiết bị rất được nhắm mục tiêu, dành riêng cho các nút cảm biến năng lượng cực thấp. Các thiết bị khác sẽ hỗ trợ mức điện áp đầu vào cao hơn để đáp ứng các yêu cầu dựa trên thiết bị vi điều khiển, nhưng đối với các ứng dụng thu năng lượng, bản thân các thiết bị vi điều khiển này rất thấp.
Điều quan trọng là IC quản lý năng lượng cần phải đủ linh hoạt để xử lý nguồn điện không liên tục và năng lượng thu thập (thường không ổn định, và thường thu thập số lượng). Điều này phải được xem xét trong thiết kế hệ thống, tức là có đủ khả năng tích trữ năng lượng, có thể cung cấp điện liên tục khi cần thiết. Điều này phụ thuộc phần lớn vào tần số đọc của cảm biến, lượng truyền dữ liệu và tần số truyền.
Tích hợp cao Texas INSTRUMENTS cung cấp nhiều loại thiết bị vi mô công suất cực thấp cho các ứng dụng thu năng lượng, bao gồm các IC quản lý năng lượng, kết nối không dây và vi điều khiển. BQ25570 mới nhất của công ty là một bộ sưu tập năng lượng tích hợp cao của một giải pháp quản lý năng lượng nữ. Nó đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn với các kỹ thuật thu thập năng lượng và tất cả các tiêu chuẩn cho các ứng dụng hạn chế năng lượng.
Thiết bị này nhỏ gọn, sử dụng gói QFN 3.5 x 3.5 mm gồm 20 dây dẫn, dòng điện tĩnh công suất cực thấp là 488 NA (giá trị điển hình) và chế độ vận chuyển là. 1881.5 NA. Ngoài ra, còn có một mô-đun đánh giá BQ25570EVM. Để biết thông tin chi tiết về sản phẩm và ứng dụng, vui lòng tham khảo hướng dẫn sử dụng bảng đánh giá và thông số kỹ thuật thiết bị 2.
Thiết bị vẫn yêu cầu một tụ điện và điện trở bên ngoài, nhưng do tích hợp cao, nó có thể giảm thiểu nhu cầu thiết bị bổ sung. Thiết bị này lý tưởng cho các mạng cảm biến không dây với các yêu cầu vận hành và công suất khắc nghiệt, thực hiện các giải pháp bộ sạc tăng cường điều chế tần số xung năng lượng cao (PFM) và bộ chuyển đổi nguồn femto. Xem Hình 2 bên dưới: Thiết bị có thể được sử dụng cùng với nhiều loại năng lượng trở kháng cao, bao gồm quang điện (năng lượng mặt trời), máy phát nhiệt điện (TEG), bộ chỉnh lưu AC / DC và máy phát áp điện. Từ trạng thái khởi động nguội, điện áp tối thiểu của bộ chuyển đổi / bộ sạc tăng cường DC / DC của thiết bị là 330 mV. Giả thuyết của nó dựa trên: nguồn điện đầu vào cung cấp ít nhất 5 μW (điển hình) và đầu ra của bộ chuyển đổi tải là dòng rò nhỏ hơn 1 μA (bao gồm cả dòng rò của phần tử lưu trữ). Tuy nhiên, điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi tăng đạt 1.8 V sau khi chạy và điện áp 100 MV cần thiết cho thiết bị có thể lấy từ nguồn thu năng lượng.
Đầu tiên, bộ chuyển đổi buck được lấy từ đầu ra của bộ chuyển đổi tăng cường để có được nguồn điện đầu vào, sau đó thực hiện quy trình giảm dần và cuối cùng cung cấp điện áp điều chỉnh cho chân đầu ra. Bộ chuyển đổi buck sử dụng điều khiển PFM để điều chỉnh điện áp cho phép nó gần với giá trị được thiết lập bởi bộ phân áp điện trở có thể lập trình của người dùng. Dòng điện qua cuộn cảm được điều khiển bởi mạch phát hiện dòng điện bên trong. Từ chế độ phân phối thời gian khoảng 100 ms, từ chế độ chờ bắt đầu nhanh hơn, nhưng điều này phụ thuộc vào kích thước của tụ điện đầu ra.
BQ25570 có thể được sử dụng với nhiều loại thiết bị lưu trữ, bao gồm tụ điện, siêu tụ điện, pin lithium ion và các loại pin hóa học khác. Khi hệ thống ở chế độ công suất thấp hoặc ngủ, bộ thu sẽ cung cấp đủ năng lượng điện để sạc phần tử lưu trữ. Khi bộ thu năng lượng không hoạt động, ắc quy hoặc tụ điện phải có đủ năng lượng để cung cấp năng lượng cho toàn bộ tải của hệ thống. Cần có phần tử lưu trữ 100 μF tụ điện tương đương để lọc dòng xung của bộ sạc chuyển mạch PFM.
Theo hướng dẫn sử dụng của TI, sự khác biệt chính giữa pin và siêu tụ điện là có rất ít trong pin, thậm chí ít hơn một lượng điện áp nhất định và có một siêu tụ điện. Các nhà thiết kế hệ thống cần lưu ý rằng có một dòng điện rò rỉ đáng kể, tương đương với tải một chiều trên đầu ra của bộ chuyển đổi tăng cường.
Theo dõi điểm năng lượng tối đa (MPPT) đề cập đến việc quản lý và năng lượng mạnh mẽ nhất của tế bào quang điện (70 đến 80%) và TEG (50%). Các chức năng khác mà thiết bị sử dụng pin sử dụng để quản lý hiệu quả năng lượng cao bao gồm: bảo vệ quá áp và quá áp của pin, tự động ngắt nhiệt của pin lithium ion có thể sạc lại. Theo dõi chính xác tình trạng pin là một tính năng quan trọng khác. Nếu hệ thống có thể rơi vào trạng thái thiếu điện áp, thì cũng cần phải kích hoạt chức năng giảm dòng tải.
Thiết bị thay thế và thiết bị bổ sung Chức năng BQ25504 và BQ25505 do Ti đưa ra tương tự nhau, nhưng dòng tĩnh nhỏ hơn 325 NA. Cả hai thiết bị đều được trang bị trình điều khiển cổng đa năng đa năng tự động, khi khởi động, cho phép hệ thống lấy năng lượng từ các nguồn thu năng lượng và pin tiểu, đảm bảo cung cấp nguồn điện liên tục khi cần, ngay cả khi không có sẵn bộ thu. cũng hoạt động bình thường. Dòng điện tĩnh cực thấp rất quan trọng khi hệ thống không thể tắt, để có thể kéo dài tuổi thọ pin.
Nếu kích thước và trọng lượng có vấn đề, TI đề xuất BQ25100, là bộ sạc pin tuyến tính có công suất thấp hơn, đặc biệt thích hợp cho các nút ion lithium đơn. Thiết bị được bao bọc bởi WCSP 0.9 x 1.6 mm, hỗ trợ điện áp đầu vào lên đến 30 V, cho phép kiểm soát chính xác dòng điện sạc nhanh trong phạm vi 10 mA đến 250 mA.
Thiết bị bổ sung TPS82740A và TPS8274B mô-đun chuyển đổi buck hỗ trợ dòng điện đầu ra 200 mA, hiệu suất chuyển đổi cao tới 95%, dòng điện tĩnh tiêu thụ chỉ 360 NA và 70 NA là 70 NA. Gói 6.7 mm2 chứa bộ điều chỉnh chuyển mạch, cuộn cảm và tụ điện I / O. Bằng cách tích hợp tất cả các thiết bị thụ động cần thiết, âm lượng của thiết bị nhỏ hơn 75% so với cùng một giải pháp rời rạc. TPS82740A là một ứng dụng điện áp cực thấp và TPS8274B có tính năng "Điều khiển DCS", phù hợp để quản lý điện năng, chẳng hạn như Ti, chẳng hạn như Ti. Dòng MSP430.
kết luận Để lựa chọn một ứng dụng di động của công nghệ thu năng lượng, chọn IC quản lý điện năng phù hợp, bạn cần phải xem xét cẩn thận các yêu cầu công suất của hệ thống, tiềm năng phát năng lượng và khả năng lưu trữ năng lượng. Ở các đầu thấp của dải công suất (chẳng hạn như các nút cảm biến không dây), hoặc nếu năng lượng do TEG tạo ra rất nhỏ, thì việc lựa chọn thiết bị sẽ bị hạn chế hơn. Nếu kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ là ưu tiên tốt nhất, thì hãy chọn một tích hợp cao hơn, chẳng hạn như một số bài viết này, có lẽ là giải pháp tốt nhất.
sản phẩm khác của chúng tôi:
