Low Power Wandlung für Energy Harvesting

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 verfügbar ist, sie zu speisen. Z.B. wandeln thermoelektrische Generatoren Wärme in Elektrizität, 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 Dünnschichtbatterien 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 für Wandler ICs, die an geringen Pegeln bei geringen Strömen arbeiten. Es sind oft nur 10tel mW und Nanoamper an Strom. Jedoch sind solche Wandlerprodukte, einschließlich Batterielader, die im Sub-1µA Bereich arbeiten, extrem selten am Markt. Die generellen Anforderungen an die Leistung der ICs für solche Applikationen sind folgende:

• Niedrige Standby Ruheströme – typisch kleiner 6 µA bis hinunter zu 450 nA
• Niedrige Start-up Spannungen – herunter bis 20 mV
• Eignung für hohe Eingangsspannung – bis zu 34 V kontinuierlich und für Transienten bis 40 V
• Eignung für Eingangswechselspannung
• Mehrfachausgänge und autonomes Systempowermanagement
• Maximum Power Point Steuerung (MPPC) für Solarquellen
• Kompakte Lösung mit minimalen externen Komponenten

WSNs sind grundsätzlich 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 richtiger 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 zu: Wieviel Energie wird für den Betrieb benötigt? Konzeptionell eine einfache Sache, in der Realität 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 für eine Sensorabfrage mit nachfolgender Übertragung. Viele Faktoren beeinflussen die Verbrauchscharakteristik von Energieerntesystemen oder WSNs, und die müssen beachtet werden. Die von einer Energieerntequelle gelieferte Energie ist davon abhängig, wie lang die Umgebungsenergiequelle verfügbar ist. Deshalb ist der primäre Parameter beim Vergleich dieser Quellen die Leistungsdichte, nicht die Energiedichte. Energieernte liefert generellen niedrige, veränderliche und nicht vorhersagbare Pegel an Leistung, deshalb wird oft eine hybride Struktur verwendet, die die Energieernte mit einem sekundären Speicher verbindet. Die Energieernte ist dabei die erste Quelle im System, da sie unbegrenzt Energie liefert und weniger Leistung. Der sekundäre Speicher, eine Batterie oder ein Kondensator, liefert, wenn erforderlich, die größere Leistung, speichert aber weniger Energie und muss ständig vom Energieerntesystem geladen werden. Steht keine Umgebungsenergie zur Verfügung, springt der sekundäre Speicher ein und versorgt das WSN. Aus Sicht des Entwicklers führt das zu eines höheren Komplexität, da er überlegen muss wie viel Energie im Sekundärspeicher vorhanden sein muss, um bei Ausfall der Umgebungsenergiequelle den Betrieb aufrecht zu halten. WSNs müssen mit wenig Energie auskommen. Das bedeutet auch, dass die beteiligten Komponenten im System in der Lage sein müssen, mit geringer Energie auszukommen. Transceiver und Mikrocontroller erfüllen diese Anforderung bereits. Bei Energieumwandlungs- und Batterieladelösungen ergibt sich aber ein anderes Bild. Linear Technology jedoch hat die ICs LTC3388-1/-3 und LTC4071 entwickelt, um diese speziellen Anforderungen zu erfüllen. Der LTC3388-1/-3 ist ein synchroner Buckwandler für 20 V Eingang, er liefert bis zu 50 mA kontinuierlich am Ausgang aus einem 3 mm x 3 mm (oder MSOP10-E) Gehäuse (Bild1). Er arbeitet an 2,7 V bis 20 V, ist so gut geeignet für viele Energieernten und Batterie-versorgte Applikationen einschließlich “keep-alive”-Sensoren und Industriesteuerungen. Bild 1: Typische Applikation mit dem LTC3388-1/-3 Der LTC3388-1/-3 nutzt synchrone Gleichrichtung für optimale Effizienz über einen breiten Laststrombereich. Er liefert über 90 % Effizienz für Lasten von 15 µA bis 50 mA und benötigt einen Ruhestrom von nur 400 nA, ermöglicht so längere Batterielaufzeiten bei Hilfsspannungsversorgung. Der LT3388-1/-3 beinhaltet ein präzises Unterspannungs-Lock-out Merkmal (ULVO), das den Wandler unter 2,3 V abschaltet auf einem Ruhestrom von nur 400 nA. Ist er im Regelzustand und keine Last liegt an, geht er in einen Schlafmode, der dann nur 720 nA benötigt. Der Buckwandler schaltet zur Regelung des Ausgangs dann ein und aus. Der zusätzliche 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 ideal für Energieernteanwendungen geeignet, wo bei der Versorgung von Sensoren und von drahtlosen Modems lange Ladezyklen zusammen mit kurzzeitigen Lastsprüngen auftreten. 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 lädt! Der LTC4071 ist ein Shunt-Batterieladesystem mit integriertem Batteriepack-Schutz und Abschaltung der Batterie zum Schutz dieser bei geringer Kapazität, um Schäden durch Selbstentladung zu verhindern. Es ist ein einfacher und trotzdem fortschrittlicher Lade- und Schutz-IC für Lithium-Ion/Polymer-Batterien. Sein ultraniedriger Betriebsstrom von 550 nA 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. Dies zum Schutz der Li-Ion/Polymer-Zellen, von Knopfzellen oder Dünnschichtbatterien. Der IC wird in einem 8-Pin 2 x 3 mm DFN Gehäuse geliefert und ist eine komplette und ultra-kompakte Ladelösung, die nur einen externen Widerstand in Serie mit der Eingangsspannung benötigt. Für portable Applikationen und Energieerntesysteme mit einem breiten Arbeitsbereich von Mikrowatt bis >1 W gibt es viele Energieumwandlungs-ICs, die für den Entwickler zur Auswahl stehen. Am unteren Leistungsende im Nanopowerbereich wird es aber eng bei der Auswahl. Glücklicherweise gibt es aber für 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. ----- Von Tony Armstrong, Director of Product Marketing, © Linear Technology Corporation