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Application Notes | 10 Juli 2015
Low Power Wandlung für Energy Harvesting
Auf der Welt gibt es genügend Umgebungsenergie und der konventionelle Ansatz für die Energieernte erfolgt mit Solarzellen und Windgeneratoren.
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:
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.
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Von Tony Armstrong, Director of Product Marketing, © Linear Technology Corporation
- 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

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