La collecte d'énergie est principalement considérée comme une méthode d'alimentation électrique pour l'alimentation des appareils électroniques qui doivent être ajoutés à l'alimentation électrique ou autre que la batterie. Dans de nombreux cas, les applications qui utilisent des collectes d'énergie n'ont souvent pas suffisamment d'espace pour accueillir de gros volumes. Les exemples typiques incluent les technologies portables telles que les gadgets de fitness et les dispositifs de surveillance de la santé, ainsi que les nœuds de capteurs sans fil tels que les applications de surveillance de l'état de l'environnement ou de la structure.
En règle générale, l'énergie collectée à partir de sources d'énergie environnementales telles que l'énergie solaire, les vibrations ou les différences de température, doit être utilisée efficacement après la transition, la stimulation et le stockage temporaire. De nos jours, un certain nombre d'entreprises lancées par les applications de collecte d'énergie et les circuits intégrés de gestion de l'énergie sont de plus en plus nombreuses. Mais la pression est exercée, pour s'assurer que ces appareils sont hautement intégrés pour faciliter le fonctionnement multifonctionnel, et que la taille doit être aussi petite que possible. Il ne fait aucun doute que la consommation électrique de l'équipement lui-même est très faible.
Cet article décrira les besoins de miniaturisation des marchés des équipements électroniques rapidement portables et de leurs applications connexes, et discutera récemment du chargeur boost BQ25570 avec convertisseurs abaisseurs intégrés, et d'une série d'alternatives similaires et de composants complémentaires. Cet article fera référence au mode d'emploi de TI, expliquera comment utiliser efficacement l'appareil pour ultracen faible consommation, limite d'espace/poids.
Plus de fonctionnalités Aujourd'hui, ce sont de plus en plus d'appareils portables qui suivent le plan de remise en forme pour surveiller l'état de santé, fournir des conditions de soins de santé et fournir des services médicaux. Comme la plupart des appareils portables, cette tendance favorisera l'augmentation des fonctions des équipements que les consommateurs attendent. Si l'appareil GPS est intégré au moniteur de fréquence cardiaque, suivez le numéro de bague d'enregistrement ou l'itinéraire de course, le moniteur de fréquence cardiaque sera plus favorisé. Actuellement, les équipements de surveillance de la santé portables modernes peuvent surveiller la pression artérielle, la température corporelle, la teneur en oxygène du sang, la fréquence cardiaque et l'activité.
Figure 1 : La collecte d'énergie sera une technologie clé dans de nombreuses applications d'appareils électroniques portables.
À gauche : les chaussettes intelligentes Sensoria, équipées de capteurs de pression, peuvent communiquer avec les anneaux de pied via Bluetooth pour aider à identifier et à améliorer les postures de course (talon / pied). D'autres capteurs peuvent suivre les records, la vitesse, les calories consommées, les hauteurs et les distances.
À droite : Fraunhofer Institute R&D L'équipement auxiliaire portable pour les personnes âgées peut fournir une série de services programmables tels que la prise de rappels de médicaments, la surveillance de la santé et les appels d'aide d'urgence.
La connexion sans fil facilite le transfert et le stockage des données collectées pour une analyse ultérieure. Les réseaux de capteurs sans fil dans le cadre de l'Internet des objets sont essentiels dans des applications telles que les bâtiments intelligents et la surveillance environnementale, et les données de nombreux capteurs dans ces applications doivent être compilées. Pour cette raison, les capteurs intégrés, les circuits radiofréquence et les microcontrôleurs plus précis sont de plus en plus utilisés dans les montres intelligentes, les moniteurs biométriques, les produits d'étiquettes d'identification, les nœuds de capteurs et d'autres applications portables ou distantes.
Cependant, de tels appareils multifonctions doivent être privilégiés, sauf pour une autonomie raisonnable de la batterie, cela nécessite également un poids léger, une petite taille et un confort. Les concepteurs ont utilisé des techniques de collecte d'énergie pour utiliser efficacement l'énergie environnementale telle que la chaleur corporelle ou les pas, de sorte que la batterie continue de se charger. Dans certains dispositifs (tels que les dispositifs implantés), l'énergie collectée est la seule source d'énergie.
Par conséquent, la collecte d'énergie peut être considérée comme une technologie spatiale pratique qui peut être utilisée comme alternative à la batterie et qui permet d'obtenir un plus petit volume de batterie rechargeable. Pour tout appareil alimenté par la batterie ou l'énergie fournie, la gestion de l'alimentation est très importante. Pour garantir des performances optimales et des opérations à haut rendement grâce à une consommation d'énergie élevée, des alimentations généralement irrégulières, nécessitent une certaine précision et précision. Un certain nombre de fabricants de circuits intégrés ont ciblé ce marché, notamment Advanced Linear Devices, Cymbet, Linear Technology, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics et Texas Instruments.
Par rapport à l'ancienne génération d'alimentation, la nouvelle génération d'alimentations est plus élevée, le volume est plus petit et la consommation d'énergie est plus faible. En théorie, l'appareil obtiendra l'énergie résultante, puis la convertira et/ou l'augmentera, et enfin la fournira directement au système ou au dispositif de stockage d'énergie rechargeable. Certaines conceptions peuvent être dédiées à un type de dispositif de stockage d'énergie tel qu'un supercondensateur ou un bouton lithium-ion. Il existe également d'autres conceptions qui prennent en charge plusieurs dispositifs de stockage d'énergie. De même, certaines conceptions peuvent être dédiées à une forme de collecte d'énergie, et il existe d'autres conceptions qui prennent en charge plusieurs formes d'énergie.
Un point à noter est la tension de démarrage requise pour différentes applications. Certaines applications démarrent à 20 mV, mais la fonctionnalité peut être limitée et des composants complémentaires supplémentaires sont nécessaires pour assurer une gestion de l'alimentation suffisante. Les composants avec une intégration plus élevée peuvent avoir une taille plus petite et le courant statique global est plus faible, mais une tension de démarrage plus élevée peut être nécessaire pour le rendre plus dépendant du niveau d'énergie de stockage le plus bas. Certains appareils sont très ciblés, dédiés aux nœuds capteurs ultra basse consommation. D'autres appareils prendront en charge des niveaux de tension d'entrée plus élevés pour répondre aux exigences basées sur l'équipement de microcontrôleur, mais pour les applications de collecte d'énergie, ces micro-appareils eux-mêmes sont très faibles.
Il est important que le circuit intégré de gestion de l'alimentation soit suffisamment flexible pour gérer l'alimentation intermittente et l'énergie collectée (souvent instable et collectant souvent la quantité). Cela doit être pris en compte dans la conception du système, c'est-à-dire qu'une capacité de stockage d'énergie suffisante, il est possible de fournir de l'électricité constante en cas de besoin. Cela dépend dans une large mesure de la fréquence de lecture du capteur, de la quantité de transmission des données et de la fréquence de transmission.
Haute intégration Texas INSTRUMENTS propose une variété de micro-dispositifs à très faible consommation pour les applications de collecte d'énergie, y compris les circuits intégrés de gestion de l'alimentation, les connexions sans fil et les microcontrôleurs. Le dernier BQ25570 de la société est une collection d'énergie hautement intégrée d'une solution de gestion de l'alimentation femto. Il répond à toutes les normes avec les techniques de collecte d'énergie et à toutes les normes pour les applications à puissance restreinte.
L'appareil est compact, utilisant un boîtier QFN de 3.5 x 3.5 mm de 20 fils, le courant statique ultra-faible puissance est de 488 NA (valeur typique) et le mode de transport l'est. 1881.5 NA. En outre, il existe également un module d'évaluation BQ25570EVM. Pour des informations détaillées sur les produits et les applications, veuillez vous référer aux spécifications de l'équipement et au guide de l'utilisateur de la carte d'évaluation 2.
L'appareil nécessite toujours un condensateur et une résistance externes, mais en raison d'une intégration élevée, il peut minimiser le besoin d'équipement supplémentaire. L'appareil est idéal pour les réseaux de capteurs sans fil avec des exigences d'alimentation et opérationnelles difficiles, mettant en œuvre des solutions de chargeur boost à modulation de fréquence d'impulsions (PFM) à haute énergie et de convertisseur femto power buck. Voir la figure 2 ci-dessous : L'appareil peut être utilisé avec une variété d'énergies à haute impédance, y compris les générateurs photovoltaïques (solaires), thermoélectriques (TEG) et les redresseurs AC/DC et les générateurs piézoélectriques. À partir de l'état de démarrage à froid, la tension minimale du convertisseur DC / DC boost / chargeur de l'appareil est de 330 mV. Son hypothèse est basée sur : l'alimentation d'entrée fournit au moins 5 W (typique), et la sortie du convertisseur de charge est inférieure à 1 A de courant de fuite (y compris le courant de fuite de l'élément de stockage). Cependant, la tension de sortie du convertisseur élévateur atteint 1.8 V après l'exécution, et la tension de 100 MV requise pour l'appareil peut être obtenue à partir de la source de collecte d'énergie.
Le convertisseur abaisseur est d'abord obtenu à partir de la sortie du convertisseur élévateur pour obtenir la puissance d'entrée, puis exécute un processus abaisseur et fournit enfin une tension de réglage pour la broche de sortie. Le convertisseur abaisseur utilise le contrôle PFM pour ajuster la tension afin qu'elle soit proche de la valeur définie par le diviseur de tension de résistance programmable par l'utilisateur. Le courant traversant l'inducteur est contrôlé par le circuit de détection de courant interne. A partir du moment du mode de livraison, le temps est d'environ 100 ms, à partir du mode veille démarre plus rapidement, mais cela dépend de la taille du condensateur de sortie.
Le BQ25570 peut être utilisé avec une variété de dispositifs de stockage, notamment des condensateurs, des supercondensateurs, des batteries lithium-ion et d'autres batteries chimiques. Lorsque le système est en mode basse consommation ou en mode veille, le collecteur fournira une énergie électrique suffisante pour charger l'élément de stockage. Lorsque le collecteur d'énergie ne fonctionne pas, la batterie ou le condensateur doit avoir une puissance suffisante pour alimenter toute la charge du système. Un condensateur équivalent à un élément de stockage de 100 F est nécessaire pour filtrer le courant d'impulsion du chargeur à découpage PFM.
Selon le guide de l'utilisateur de TI, la principale différence entre la batterie et le supercondensateur est qu'il y en a peu dans la batterie, et même moins qu'une certaine quantité de tension, et qu'il y a un supercondensateur. Les concepteurs de systèmes doivent noter qu'il existe un courant de fuite important, qui équivaut à une charge CC sur la sortie du convertisseur élévateur.
Le Maximum Power Point Tracking (MPPT) fait référence à l'énergie la plus puissante et à la gestion de la cellule photovoltaïque (70 à 80%) et du TEG (50%). D'autres fonctions que la gestion à haute efficacité énergétique des équipements alimentés par batterie incluent: protection contre les surtensions et les sous-tensions de la batterie, arrêt thermique automatique de la batterie lithium-ion rechargeable. La surveillance précise de l'état de la batterie est une autre caractéristique importante. Si le système peut entrer dans un état de sous-tension, il est également nécessaire de déclencher la fonction de chute de courant de charge.
Equipements alternatifs et équipements complémentaires Les fonctions BQ25504 et BQ25505 lancées par Ti sont similaires, mais le courant de repos est inférieur à 325 NA. Les deux appareils sont équipés d'un pilote de porte multiplexeur polyvalent à puissance autonome, une fois démarré, permettant au système d'obtenir de l'énergie à partir de sources de collecte d'énergie et de batteries primaires, garantissant une alimentation constante en cas de besoin, même lorsque le collecteur n'est pas disponible. fonctionnent également correctement. Le courant statique ultra-faible est très important lorsque le système est incapable de s'éteindre, afin que la durée de vie de la batterie puisse être prolongée.
Si la taille et le poids posent problème, TI recommande le BQ25100, qui est un chargeur de batterie linéaire avec une puissance inférieure, particulièrement adapté aux boutons lithium-ion simples. L'appareil est encapsulé dans un WCSP de 0.9 x 1.6 mm, prend en charge une tension d'entrée jusqu'à 30 V, permettant de contrôler avec précision le courant de charge rapide entre 10 mA et 250 mA.
Les modules de convertisseur abaisseur TPS82740A et TPS8274B d'équipement complémentaire prennent en charge un courant de sortie de 200 mA, l'efficacité de conversion atteint 95 %, le courant de repos consommé n'est que de 360 NA et 70 NA est égal à 70 NA. Le boîtier de 6.7 mm2 contient un régulateur à découpage, une inductance et un condensateur E/S. En intégrant tous les appareils passifs nécessaires, le volume de l'appareil est 75 % plus petit que la même solution discrète. Le TPS82740A est une application à très basse tension et le TPS8274B dispose de la fonction « Contrôle DCS », qui convient à la gestion de l'alimentation, telle que Ti, pour, par exemple, Ti. Série MSP430.
En conclusion Pour sélectionner une application portable de la technologie de collecte d'énergie, sélectionnez le circuit intégré de gestion de l'alimentation approprié, vous devez examiner attentivement les besoins en énergie du système, le potentiel de production d'énergie et la capacité de stockage d'énergie. Aux extrémités de la plage de puissance (comme les nœuds de capteurs sans fil), ou si l'énergie générée par le TEG est très faible, la sélection de l'appareil est plus limitée. Si la petite taille et le poids léger sont la meilleure priorité, alors sélectionnez une intégration plus élevée, comme plusieurs de cet article, peut-être la meilleure solution.
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