איסוף אנרגיה נתפס בעיקר כשיטת אספקת חשמל לאספקת חשמל למכשירים האלקטרוניים שיש להוסיף לאספקת החשמל או מלבד הסוללה. במקרים רבים, ליישומים המשתמשים באיסוף אנרגיה אין הרבה מקום מספיק כדי להכיל נפחים גדולים. דוגמאות טיפוסיות כוללות טכנולוגיות לבישות כגון גאדג'טים לכושר ומכשירי ניטור בריאות, כמו גם צמתי חיישנים אלחוטיים כגון יישומי ניטור מצבים סביבתיים או מבניים.
בדרך כלל, האנרגיה הנאספת ממקורות אנרגיה סביבתיים כגון אנרגיה סולארית, רעידות או הפרשי טמפרטורה, צריכה להיות מנוצלת ביעילות לאחר מעבר, חיזוק ואחסון זמני. כיום, מספר חברות שהושקו על ידי אפליקציות איסוף האנרגיה והמעגלים המשולבים לניהול צריכת החשמל הולכות וגדלות. אבל הלחץ עומד בפניו, כדי להבטיח שמכשירים אלה משולבים מאוד כדי להקל על פעולה מרובת פונקציות, והגודל צריך להיות קטן ככל האפשר. אין ספק שצריכת החשמל של הציוד עצמו נמוכה מאוד.
מאמר זה יתאר את צורכי המיזעור של שווקי ציוד אלקטרוני לביש מהיר ויישומים הקשורים אליהם, וידון לאחרונה במטען הדחיפה BQ25570 עם ממירי buck משולבים, וסדרה של חלופות דומות ורכיבים משלימים. מאמר זה יתייחס למדריך למשתמש של TI, יסביר כיצד להשתמש במכשיר ביעילות כדי לצנן עוצמה נמוכה, מגבלת שטח/משקל.
תכונות נוספות כיום, יותר ויותר מכשירים לבישים הם שעוקבים אחר תוכנית הכושר כדי לנטר את מצב הבריאות ולספק תנאים רפואיים ולספק שירותים רפואיים. כמו רוב המכשירים הניידים, מגמה זו תקדם את הגידול בפונקציות הציוד עם הצרכנים מצפים. אם מכשיר ה-GPS משולב במד הדופק, עקוב אחר מספר טבעת ההקלטה או מסלול הריצה, מד הדופק יהיה מועדף יותר. נכון לעכשיו, ציוד מודרני לביש לניטור בריאות יכול לנטר לחץ דם, טמפרטורת גוף, תכולת חמצן בדם, קצב לב ופעילות.
איור 1: איסוף אנרגיה יהיה טכנולוגיות מפתח ביישומי מכשירים אלקטרוניים לבישים רבים.
משמאל: הגרביים החכמות של Sensoria, המצוידות בחיישני לחץ, יכולות לתקשר עם טבעות כף הרגל באמצעות בלוטות' כדי לסייע בזיהוי ושיפור תנוחות הריצה (עקב/רגל). חיישנים אחרים יכולים לעקוב אחר שיאים, מהירות, צריכת קלוריות, גבהים ומרחקים.
מימין: מחקר ופיתוח של מכון Fraunhofer ציוד העזר הלביש לקבוצת קשישים יכול לספק סדרה של שירותים הניתנים לתכנות כגון קבלת תזכורות לסמים, ניטור בריאות ושיחות סיוע חירום.
חיבור אלחוטי מקל על העברה ואחסון של נתונים שנאספו לניתוח מאוחר יותר. רשתות חיישנים אלחוטיות כחלק מהאינטרנט של הדברים, חיונית ביישומים כמו מבנים חכמים וניטור סביבתי, ויש לאסוף נתונים מחיישנים רבים ביישומים אלו. בגלל זה, חיישנים משולבים, מעגלי תדר רדיו ומיקרו-בקרים מדויקים יותר בשעון חכם, צג ביומטרי, מוצרי תג מזהה, צמתי חיישנים ויישומים לבישים או מרוחקים אחרים.
עם זאת, יש להעדיף מכשירים רב-תכליתיים כאלה, למעט חיי סוללה סבירים, הם גם דורשים משקל קל, גודל קטן ונוחות. מעצבים השתמשו בטכניקות איסוף אנרגיה כדי לנצל ביעילות אנרגיה סביבתית כמו חום גוף או צעדים, כך שהסוללה תמשיך להיטען. במכשירים מסוימים (כגון מכשירים מושתלים), האנרגיה הנאספת היא מקור האנרגיה היחיד.
לכן, ניתן לראות באיסוף אנרגיה כטכנולוגיה מעשית מרחבית שניתן להשתמש בה אלטרנטיבה לסוללה, ויכולה להשיג נפח קטן יותר של סוללה נטענת. עבור כל מכשיר המופעל על ידי הסוללה או האנרגיה המסופקת, ניהול החשמל חשוב מאוד. כדי להבטיח ביצועים מיטביים ופעולות יעילות גבוהות על ידי צריכת חשמל גבוהה, בדרך כלל ספקי כוח לא סדירים, דורש דיוק ודיוק מסוימים. מספר יצרני IC פנו לשוק זה, כולל התקנים לינאריים מתקדמים, Cymbet, טכנולוגיה ליניארית, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics ו-Texas Instruments.
בהשוואה לדור הישן של חשמל, הדור החדש של ספקי כוח גבוה יותר, הנפח קטן יותר וצריכת החשמל נמוכה יותר. בתיאוריה, המכשיר יקבל את האנרגיה המתקבלת, ולאחר מכן המרה ו/או דחיפה, ולבסוף יספק אותה ישירות למערכת או להתקן אחסון האנרגיה הנטען. עיצובים מסוימים יכולים להיות מוקדשים לסוג של התקן אחסון אנרגיה כגון קבל-על או כפתור ליתיום יון. ישנם גם עיצובים אחרים התומכים במספר התקני אחסון אנרגיה. באופן דומה, עיצוב מסוים עשוי להיות מוקדש לצורה של איסוף אנרגיה, וישנם עיצובים אחרים התומכים במספר צורות אנרגיה.
מוקד שיש לציין הוא מתח האתחול הנדרש עבור יישומים שונים. חלק מהיישומים מופעלים ל-20 mV, אך הפונקציונליות עשויה להיות מוגבלת, ונדרשים רכיבים משלימים נוספים כדי לספק ניהול צריכת חשמל מספק. הרכיבים עם אינטגרציה גבוהה יותר עשויים להיות בעלי גודל קטן יותר, והזרם הסטטי הכולל נמוך יותר, אך ייתכן שיידרש מתח התחלה גבוה יותר כדי להפוך אותו לתלות יותר ברמת אנרגיית האחסון הנמוכה ביותר. חלק מהמכשירים ממוקדים מאוד, ייעודיים לצמתי חיישני הספק נמוך במיוחד. התקנים אחרים יתמכו ברמות מתח כניסה גבוהות יותר כדי לעמוד בדרישות המבוססות על ציוד מיקרו-בקר, אך עבור יישומי איסוף אנרגיה, התקני המיקרו הללו עצמם נמוכים מאוד.
חשוב ש-IC ניהול החשמל צריך להיות גמיש מספיק כדי להתמודד עם הספק לסירוגין והאנרגיה שנאספת (לעתים קרובות לא יציב, ולעתים קרובות אוספת את הכמות). יש לקחת זאת בחשבון בתכנון המערכת, כלומר מספיק קיבולת אגירת אנרגיה, ניתן לספק חשמל קבוע בעת הצורך. הדבר תלוי במידה רבה בתדר הקריאה של החיישן, ובכמות השידור של הנתונים ותדירות השידור.
אינטגרציה גבוהה Texas INSTRUMENTS מציעה מגוון של התקני מיקרו בהספק נמוך במיוחד עבור יישומי איסוף אנרגיה, כולל ICs לניהול צריכת חשמל, חיבורים אלחוטיים ומיקרו-בקרים. ה-BQ25570 האחרון של החברה הוא אוסף אנרגיה משולב גבוה של פתרון ניהול כוח פמטו. הוא עומד בכל התקנים עם טכניקות איסוף אנרגיה וכל התקנים עבור יישומים מוגבלי חשמל.
המכשיר קומפקטי, משתמש בחבילת QFN בגודל 3.5 על 3.5 מ"מ של 20 לידים, זרם סטטי בעל הספק נמוך במיוחד הוא 488 NA (ערך אופייני), ומצב ההובלה הוא. 1881.5 נ"א. בנוסף, ישנו גם מודול הערכה BQ25570EVM. למידע מפורט על מוצרים ויישום, עיין במפרט הציוד ובמדריך למשתמש של לוח ההערכה 2.
המכשיר עדיין דורש קבל ונגד חיצוניים, אך בשל אינטגרציה גבוהה, הוא יכול למזער את הצורך בציוד נוסף. המכשיר אידיאלי עבור רשתות חיישנים אלחוטיות עם דרישות כוח ותפעול קשות, תוך הטמעת פתרונות דחיפה של מטען תדירות דופק (PFM) וממיר femto power buck. ראה איור 2 להלן: ניתן להשתמש במכשיר בשילוב עם מגוון רחב של אנרגיות עכבה גבוהה, כולל גנרטורים פוטו-וולטאיים (סולאריים), מחולל תרמו-אלקטרי (TEG), ומיישרים AC/DC ומחוללים פיזואלקטריים. ממצב התחלה קרה, מתח המינימום של ממיר DC/DC להגברת המתח המינימלי של המכשיר הוא 330 mV. ההשערה שלו מבוססת על: ספק הכוח המבוא מספק לפחות 5 μW (אופייני), ותפוקת ממיר העומס נמוכה מ-1 μA זרם דליפה (כולל זרם דליפה של רכיב האחסון). עם זאת, מתח המוצא של ממיר ההגברה מגיע ל-1.8 וולט לאחר הפעלתו, וניתן לקבל את המתח של 100 MV הנדרש למכשיר ממקור איסוף האנרגיה.
ממיר הבאק מתקבל תחילה מתפוקת ממיר הדחיפה כדי להשיג הספק קלט, ולאחר מכן מבצע תהליך ירידה, ולבסוף מספק מתח התאמה לפין המוצא. ממיר ה-buck משתמש בבקרת PFM כדי לכוונן את המתח כדי לאפשר אותו קרוב לערך שנקבע על ידי מחלק המתח של הנגד הניתן לתכנות על ידי המשתמש. הזרם דרך המשרן נשלט על ידי מעגל זיהוי הזרם הפנימי. מרגע האספקה, הזמן הוא בערך 100 אלפיות השנייה, ממצב המתנה מתחיל מהר יותר, אבל זה תלוי בגודל קבל הפלט.
ניתן להשתמש ב-BQ25570 עם מגוון התקני אחסון, כולל קבלים, קבלי-על, סוללות ליתיום-יון וסוללות כימיות אחרות. כאשר המערכת נמצאת במצב צריכת חשמל נמוכה או במצב שינה, הקולט יספק מספיק אנרגיה חשמלית לטעינת אלמנט האחסון. כאשר קולט האנרגיה אינו פועל, הסוללה או הקבל חייבים להיות בעלי כוח מספיק כדי להפעיל את כל עומס המערכת. דרוש רכיב אחסון קבל שווה ערך של 100 μF כדי לסנן את זרם הדופק של מטען המיתוג PFM.
לפי המדריך למשתמש של TI, ההבדל העיקרי בין הסוללה לסופר קבל הוא שיש מעט בסוללה, ואפילו פחות מכמות מסוימת של מתח, ויש קבל-על. מתכנני מערכות צריכים לשים לב שיש זרם דליפה משמעותי, המקביל לעומס DC על פלט ממיר החיזוק.
Max Power Point Tracking (MPPT) מתייחס לאנרגיה ולניהול החזקים ביותר של התא הפוטו-וולטאי (70 עד 80%) ו-TEG (50%). פונקציות נוספות שהציוד המופעל על ידי סוללה כולל ניהול יעילות אנרגטית גבוהה: הגנה מפני מתח יתר ותת-מתח של הסוללה, כיבוי תרמי אוטומטי של סוללת הליתיום יון הנטענת. ניטור מדויק של מצב הסוללה הוא תכונה חשובה נוספת. אם המערכת עלולה להיכנס למצב תת-מתח, יש צורך גם להפעיל את פונקציית ירידת זרם העומס.
ציוד חלופי וציוד משלים הפונקציות BQ25504 ו-BQ25505 שהשיקו Ti דומות, אך זרם השקט נמוך מ-325 NA. שני המכשירים מצוידים בדרייבר שער מרובה-תכליתי כוח אוטונומי, לאחר הפעלתו, המאפשר למערכת לקבל אנרגיה ממקורות איסוף אנרגיה וסוללות ראשוניות, מה שמבטיח לספק כוח קבוע בעת הצורך, גם כאשר הקולט אינו זמין. גם לעבוד כמו שצריך. הזרם הסטטי הנמוך במיוחד חשוב מאוד כאשר המערכת מכילה לא מסוגלת לכבות, כך שניתן להאריך את חיי הסוללה.
אם יש בעיה בגודל ובמשקל, TI ממליצה על BQ25100, שהוא מטען סוללות ליניארי בעל הספק נמוך יותר, מתאים במיוחד ללפתורי ליתיום יון בודדים. המכשיר מוקף על ידי WCSP בגודל 0.9 על 1.6 מ"מ, תומך במתח כניסה של עד 30 וולט, המאפשר לשלוט במדויק על זרם הטעינה המהיר בתוך 10 mA עד 250 mA.
הציוד המשלים TPS82740A ו-TPS8274B מודולי ממירי buck תומכים בזרם פלט של 200 mA, יעילות ההמרה גבוהה עד 95%, זרם השקט הנצרך הוא רק 360 NA, ו-70 NA הוא 70 NA. החבילה בגודל 6.7 מ"מ מכילה וסת מיתוג, משרן וקבל קלט/פלט. על ידי שילוב כל המכשירים הפסיביים הדרושים, נפח המכשיר קטן ב-75% מאותו פתרון דיסקרטי. ה-TPS82740A הוא יישום מתח נמוך במיוחד, ול-TPS8274B יש את תכונת "DCS Control", המתאימה לניהול צריכת חשמל, כמו Ti, עבור, למשל, Ti. סדרת MSP430.
לסיכום כדי לבחור יישום נייד של טכנולוגיית איסוף אנרגיה, בחר את ה-IC המתאים לניהול הספק, עליך לשקול היטב את דרישות ההספק של המערכת, פוטנציאל ייצור האנרגיה ויכולת אחסון האנרגיה. בקצוות נמוכים של טווח ההספק (כגון צמתי חיישנים אלחוטיים), או אם האנרגיה שנוצרת על ידי ה-TEG קטנה מאוד, מבחר המכשיר מוגבל יותר. אם גודל קטן ומשקל קל הם העדיפות הטובה ביותר, אז בחר אינטגרציה גבוהה יותר, כגון כמה מהמאמר הזה, אולי הפתרון הטוב ביותר.
המוצר השני שלנו:
