A coleta de energia é vista principalmente como um método de fornecimento de energia para dispositivos eletrônicos que precisam ser adicionados à fonte de alimentação ou outro que não a bateria. Em muitos casos, os aplicativos que usam coleções de energia geralmente não têm espaço suficiente para acomodar grandes volumes. Exemplos típicos incluem tecnologias vestíveis, como dispositivos de fitness e dispositivos de monitoramento de saúde, bem como nós de sensores sem fio, como aplicativos de monitoramento de estado estrutural ou ambiental.
Normalmente, a energia coletada de fontes de energia ambientais, como energia solar, vibração ou diferenças de temperatura, precisa ser utilizada de forma eficaz após a transição, reforço e armazenamento temporário. Hoje em dia, uma série de empresas lançadas pelos aplicativos de coleta de energia e circuitos integrados de gerenciamento de energia estão cada vez mais crescendo. Mas a pressão está enfrentando, para garantir que esses dispositivos sejam altamente integrados para facilitar a operação multifuncional, e o tamanho deve ser o menor possível. Não há dúvida de que o consumo de energia do próprio equipamento é muito baixo.
Este artigo irá delinear as necessidades de miniaturização dos mercados de equipamentos eletrônicos rapidamente vestíveis e suas aplicações relacionadas, e discutir recentemente, o carregador BQ25570 com conversores de buck integrados e uma série de alternativas semelhantes e componentes complementares. Este artigo fará referência ao guia do usuário de TI, explicará como usar o dispositivo de maneira eficaz para ultracenar baixa potência e limite de espaço / peso.
Mais recursos Hoje, são cada vez mais os dispositivos vestíveis que rastreiam o plano de condicionamento físico para monitorar o estado de saúde e fornecer condições de saúde e serviços médicos. Como a maioria dos dispositivos portáteis, essa tendência promoverá o aumento nas funções do equipamento com as expectativas dos consumidores. Se o dispositivo GPS estiver integrado ao monitor de freqüência cardíaca, rastreie o número do anel de gravação ou rota de corrida, o monitor de freqüência cardíaca será mais favorecido. Atualmente, equipamentos de monitoramento de saúde vestíveis modernos podem monitorar a pressão arterial, temperatura corporal, conteúdo de oxigênio no sangue, freqüência cardíaca e atividade.
Figura 1: A coleta de energia será uma tecnologia chave em muitas aplicações de dispositivos eletrônicos vestíveis.
Esquerda: As meias inteligentes da Sensoria, equipadas com sensores de pressão, podem se comunicar com os anéis para os pés via Bluetooth para ajudar a identificar e melhorar as posturas de corrida (calcanhar / pé). Outros sensores podem rastrear registros, velocidade, consumo de calorias, alturas e distâncias.
À direita: Instituto Fraunhofer de P&D O equipamento auxiliar vestível para o grupo de idosos pode fornecer uma série de serviços programáveis, como levar lembretes de drogas, monitoramento de saúde e chamadas de assistência de emergência.
A conexão sem fio facilita a transferência e o armazenamento de dados coletados para análise posterior. As redes de sensores sem fio, como parte da Internet das Coisas, são essenciais em aplicativos como edifícios inteligentes e monitoramento ambiental, e os dados de muitos sensores nesses aplicativos devem ser compilados. Por causa disso, sensores integrados, circuitos de radiofrequência e microcontroladores mais precisos estão cada vez mais em smart watch, monitor biométrico, produtos de etiqueta de identificação, nós de sensores e outras aplicações vestíveis ou remotas.
No entanto, tais dispositivos multifuncionais devem ser favorecidos, exceto para a vida útil da bateria, que também requer peso leve, tamanho pequeno e conforto. Os projetistas usaram técnicas de coleta de energia para utilizar com eficácia a energia ambiental, como o calor do corpo ou passos, para que a bateria continue a carregar. Em certos dispositivos (como dispositivos implantados), a energia coletada é a única fonte de energia.
Portanto, a captação de energia pode ser vista como uma tecnologia prática espacial que pode ser utilizada como alternativa à bateria, podendo atingir um menor volume de bateria recarregável. Para qualquer dispositivo que seja alimentado por bateria ou energia fornecida, o gerenciamento de energia é muito importante. Para garantir um ótimo desempenho e operações de alta eficiência por alto consumo de energia, geralmente fontes de alimentação irregulares, requer certa exatidão e precisão. Vários fabricantes de IC têm como alvo este mercado, incluindo Dispositivos Lineares Avançados, Cymbet, Tecnologia Linear, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics e Texas Instruments.
Em comparação com a geração anterior de energia, a nova geração de fontes de alimentação é maior, o volume é menor e o consumo de energia é menor. Em teoria, o dispositivo obterá a energia resultante e, em seguida, a conversão e / ou aumento e, por fim, fornecerá diretamente ao sistema ou dispositivo de armazenamento de energia recarregável. Alguns projetos podem ser dedicados a um tipo de dispositivo de armazenamento de energia, como um supercapacitor ou um botão de íon de lítio. Existem também outros designs que suportam vários dispositivos de armazenamento de energia. Da mesma forma, alguns projetos podem ser dedicados a uma forma de coleta de energia e existem outros projetos que suportam múltiplas formas de energia.
Um foco a ser observado é a tensão de inicialização necessária para diferentes aplicações. Alguns aplicativos são iniciados em 20 mV, mas a funcionalidade pode ser limitada e componentes complementares adicionais são necessários para fornecer gerenciamento de energia suficiente. Os componentes com maior integração podem ter um tamanho menor e a corrente estática geral é mais baixa, mas uma tensão inicial mais alta pode ser necessária para torná-la mais dependente do nível mais baixo de energia de armazenamento. Alguns dispositivos são muito direcionados, dedicados a nós sensores de energia ultrabaixa. Outros dispositivos suportarão níveis de tensão de entrada mais altos para atender aos requisitos baseados em equipamentos microcontrolados, mas para aplicações de coleta de energia, esses microdispositivos são muito baixos.
É importante que o IC de gerenciamento de energia precise ser flexível o suficiente para lidar com a energia intermitente e a energia coletada (muitas vezes instável e, muitas vezes, acumulando a quantidade). Isso deve ser considerado no projeto do sistema, ou seja, capacidade de armazenamento de energia suficiente, é possível fornecer eletricidade constante quando necessário. Isso depende em grande parte da frequência de leitura do sensor e da quantidade de transmissão dos dados e da frequência de transmissão.
Alta integração Texas INSTRUMENTS oferece uma variedade de microdispositivos de ultra baixa potência para aplicações de coleta de energia, incluindo ICs de gerenciamento de energia, conexões sem fio e microcontroladores. O mais recente BQ25570 da empresa é uma coleção de alta energia integrada de uma solução de gerenciamento de energia femto. Ele atende a todos os padrões com técnicas de coleta de energia e todos os padrões para aplicações com restrição de energia.
O dispositivo é compacto, usando um pacote QFN de 3.5 x 3.5 mm de 20 terminais, a corrente estática de potência ultrabaixa é 488 NA (valor típico) e o modo de transporte é. 1881.5 NA. Além disso, existe também um módulo de avaliação BQ25570EVM. Para obter informações detalhadas sobre produtos e aplicações, consulte as especificações do equipamento e o guia do usuário 2 da placa de avaliação.
O dispositivo ainda requer um capacitor e resistor externo, mas devido à alta integração, pode minimizar a necessidade de equipamentos adicionais. O aparelho é ideal para redes de sensores sem fio com requisitos operacionais e de energia severos, implementando soluções de modulação de frequência de pulso de alta energia (PFM) boost charger e femto power buck conversor. Consulte a Figura 2 abaixo: O aparelho pode ser usado em conjunto com uma variedade de energia de alta impedância, incluindo fotovoltaica (solar), gerador termoelétrico (TEG) e retificador AC / DC e geradores piezoelétricos. No estado de inicialização a frio, a tensão mínima do conversor / carregador boost DC / DC do dispositivo é 330 mV. Sua hipótese é baseada em: a fonte de alimentação de entrada fornece pelo menos 5 μW (típico) e a saída do conversor de carga é inferior a 1 μA de corrente de fuga (incluindo a corrente de fuga do elemento de armazenamento). No entanto, a tensão de saída do conversor de reforço atinge 1.8 V após o funcionamento, e a tensão de 100 MV necessária para o dispositivo pode ser obtida na fonte de coleta de energia.
O conversor buck é primeiro obtido a partir da saída do conversor boost para obter energia de entrada e, em seguida, executa um processo de redução e, finalmente, fornece uma tensão de ajuste para o pino de saída. O conversor Buck usa o controle PFM para ajustar a tensão para habilitá-la perto do valor definido pelo divisor de tensão do resistor programável do usuário. A corrente através do indutor é controlada pelo circuito interno de detecção de corrente. A partir do modo de entrega, o tempo é de cerca de 100 ms, a partir do modo de espera começa mais rápido, mas isso depende do tamanho do capacitor de saída.
O BQ25570 pode ser usado com uma variedade de dispositivos de armazenamento, incluindo capacitores, supercapacitores, baterias de íon de lítio e outras baterias químicas. Quando o sistema está em baixo consumo de energia ou modo de espera, o coletor fornecerá energia elétrica suficiente para carregar o elemento de armazenamento. Quando o coletor de energia não está funcionando, a bateria ou o capacitor deve ter energia suficiente para alimentar toda a carga do sistema. Um capacitor equivalente de 100 μF elemento de armazenamento é necessário para filtrar a corrente de pulso do carregador de comutação PFM.
De acordo com o guia do usuário da TI, a principal diferença entre a bateria e o supercapacitor é que há poucos na bateria, e ainda menos do que uma certa tensão, e há um supercapacitor. Os projetistas do sistema precisam observar que há uma corrente de fuga significativa, que é equivalente a uma carga CC na saída do conversor de reforço.
Maximum Power Point Tracking (MPPT) refere-se à energia e gerenciamento mais poderosos da célula fotovoltaica (70 a 80%) e TEG (50%). Outras funções que o gerenciamento de alta eficiência energética de equipamentos alimentados por bateria incluem: proteção contra sobretensão e subtensão da bateria, desligamento térmico automático da bateria recarregável de íon de lítio. O monitoramento preciso do status da bateria é outro recurso importante. Se o sistema pode entrar em um estado de subtensão, também é necessário acionar a função de queda de corrente de carga.
Equipamento alternativo e equipamento suplementar As funções BQ25504 e BQ25505 lançadas pelo Ti são semelhantes, mas a corrente quiescente é inferior a 325 NA. Ambos os dispositivos são equipados com acionador de porta multiplexador multiplexador de potência autônomo, uma vez acionado, permitindo que o sistema obtenha energia de fontes coletoras de energia e baterias primárias, garantindo que seja fornecida alimentação constante quando necessário, mesmo quando o coletor não estiver disponível. também funcionam corretamente. A ultra-baixa corrente estática é muito importante quando o sistema não consegue desligar, de forma que a vida útil da bateria pode ser estendida.
Se o tamanho e o peso forem problemáticos, a TI recomenda o BQ25100, que é um carregador de bateria linear com menor potência, especialmente adequado para botões únicos de íon de lítio. O dispositivo é encapsulado por WCSP de 0.9 x 1.6 mm, suporta tensão de entrada de até 30 V, permitindo que a corrente de carga rápida seja controlada com precisão entre 10 mA e 250 mA.
Os módulos conversores de buck TPS82740A e TPS8274B do equipamento complementar suportam corrente de saída de 200 mA, a eficiência de conversão chega a 95%, a corrente quiescente consumida é de apenas 360 NA e 70 NA é 70 NA. O pacote de 6.7 mm2 contém um regulador de chaveamento, um indutor e um capacitor de E / S. Ao integrar todos os dispositivos passivos necessários, o volume do dispositivo é 75% menor do que a mesma solução discreta. O TPS82740A é uma aplicação de voltagem ultrabaixa, e o TPS8274B possui o recurso "DCS Control", que é adequado para gerenciamento de energia, como Ti, para, por exemplo, Ti. Série MSP430.
em conclusão Para selecionar uma aplicação portátil de tecnologia de coleta de energia, selecione o IC de gerenciamento de energia apropriado, você precisa considerar cuidadosamente os requisitos de energia do sistema, o potencial de geração de energia e a capacidade de armazenamento de energia. Em extremos baixos da faixa de potência (como nós de sensores sem fio), ou se a energia gerada pelo TEG for muito pequena, a seleção do dispositivo é mais limitada. Se o tamanho pequeno e o peso leve forem a melhor prioridade, selecione uma integração mais alta, como várias neste artigo, talvez a melhor solução.
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