EM8500 – Inteligentní správa napájení bez kompromisů [2]

V předchozím čísle jsme popsali základní vlastnosti nového obvodu EM8500 pro správu napájení, jeho hlavní parametry a oblasti použití. V tomto článku se budeme věnovat základním pracovních módům obvodu a jeho typickým zapojením. Také budou stručně popsány jeho možnosti nastavení a konfigurace.

Obvod EM8500 může v podstatě pracovat ve dvou základních režimech. V prvním případě je pro napájení aplikace použit harvesting element a obvod automaticky inteligentně přepíná na napájení z primárního článku pouze, pokud není dostatek energie z harvesting elementu. Ve druhém případě je kromě harvesting elementu použit i akumulátor, tedy dlouhodobý zdroj energie (LTS), který je doplněn krátkodobým zdrojem energie (STS), což je nejčastěji tzv. superkapacitor – supercap.

V obou případech je také automaticky aktivní funkce kontroly a hlídání minimální a maximální úrovně napětí na připojeném akumulátoru (LTS) pro zajištění jeho ochrany při nabíjení. Také je monitorováno napětí na harvesting elementu a při jeho poklesu pod minimální úroveň napětí, typickou pro konkrétní harvesting element, je vypnuta funkce DCDC konvertoru, aby nedocházelo ke zbytečným ztrátám energie v době, kdy není na harvesting elementu k dispozici dostatek energie. Výstupní napětí je samozřejmě udržováno v nastavených mezích, bezpečných pro připojenou aplikaci.

Harvesting element a primární článek – baterie

V tomto režimu je aplikace napájena buď ze solárního článku, termoelektrického (TEG) generátoru, nebo z připojené baterie – primárního článku. Obvod EM8500 kontroluje a řídí tok energie z těchto elementů přímo do aplikace. Díky celkem čtyřem nezávisle ovládaným napěťovým výstupům VSUP, VAUX[0-2] je obvod EM8500 schopen vypínat ty části připojené aplikace, která zrovna nevyžadují přísun elektrické energie a tím významně šetří celkovou proudovou spotřebu. Obvod EM8500 v tomto režimu také nabízí možnost prodloužení doby života primárního článku s pomocí připojeného harvesting elementu.

Harvesting element, sekundární článek LTS (akumulátor) a super-cap (STS)

Ve druhém režimu je aplikace také napájena buď ze solárního článku, nebo termoelektrického (TEG) generátoru, ale kromě akumulátoru, který zde pracuje jako dlouhodobý zdroj energie (LTS), je zde i prvek pro krátkodobé dodávky energie, super-cap (STS) pro ošetření situací, kdy je vyžadován velmi rychlý start celého systému, není dostatek energie v LTS elementu apod. Obvod EM8500 opět kontroluje a řídí tok energie z vstupních zdrojů, z LTS a STS elementů do aplikace a zároveň řídí a kontroluje nabíjení připojeného akumulátoru (LTS), případně super kapacitoru (STS) a současně zajišťuje inteligentní přepínání mezi těmito zdroji energie. Stejně jako v předchozím případě je obvod EM8500 schopen vypínat ty bloky připojené aplikace, které nepotřebují dodávku elektrické energie. Využít lze i napájení pomocí USB rozhraní, kdy je navíc umožněno velmi rychlé nabití LTS elementu.

Využití obvodu EM8500 a typické aplikace

Na obrázku č. 1 je znázorněn základní blokový diagram obvodu EM8500 a vnitřní uspořádání jeho interních funkčních bloků.

Na následujících obrázcích jsou znázorněny příklady konkrétních zapojení obvodu EM8500 pro jednoduché autonomní systémy. Příklad zapojení na obr. 2 obsahuje kromě vlastního obvodu EM8500 akcelerometr pro probouzení (Wake-up sensor) celého systému, obvod reálného času (RTC), externí senzor, řídicí procesor (HOST MCU), bezdrátový Bluetooth Low Energy (BT Smart) blok a samozřejmě vstupní „harvesting“ element – solární článek. Celá aplikace je napájena z akumulátoru (Secondary cell Battery) připojeného na pin VDD_LTS obvodu EM8500, který podle okolních podmínek (osvětlení solárního článku) a energetických nároků aplikace řídí tok energie buď přímo ze solárního článku, nebo akumulátoru a v případě přebytku energie je akumulátor dobíjen.

Ve druhém příkladu, na obrázku č. 3, je aplikace napájena z primárního článku. Pokud je současně připojen i „harvesting element – solární článek“, pak jej obvod EM8500 při dostatečném okolním osvětlení může využít pro napájení aplikace místo primárního článku a umožňuje také prodloužit dobu jeho života. Kromě obdobných komponentů jako v předchozím příkladu je navíc na jeden z napěťových výstupů obvodu EM8500 připojen LCD driver a vlastní LCD displej.

Klasickým příkladem použití je také solární napájení elektroniky hodinek, které s využitím obvodu EM8500 může pracovat i v nepříznivých světelných podmínkách uvnitř místností. V tomto případě je s výhodou využita i jedna z dalších unikátních vlastností obvodu EM8500, což je schopnost velmi rychlého náběhu napájení systému po vystavení solárního článku napájejícího hodinky vnitřnímu osvětlení o intenzitě přibližně pouhých 80 lux, a to i při ploše použitého solárního článku 2,5 cm2. Celý systém je aktivní během několika vteřin.

Konfigurace a nastavení obvodu EM8500

Nastavení a konfigurace jednotlivých parametrů, hodnot konfiguračních registrů a pracovních módů obvodu EM8500 zajišťuje vestavěná konfigurační EEPROM paměť. Zápis a čtení do této paměti jsou umožněny pomocí sériového rozhraní. Uživatel může zapisovat do EEPROM paměti v libovolnou dobu, nicméně celý obvod musí být dostatečně napájen, dostatek energie musí být alespoň v STS elementu. Uživatel tedy musí zajistit, že zápis informací do konfigurační paměti bude správně dokončen. Programování EEPROM paměti a správné nastavení všech registrů usnadňuje vývojový kit EMDVK8500 a především „wizard“ – průvodce, což je aplikace pro MS Excel, který je dostupný na webových stránkách výrobce [1]. Detailní popis vývojového kitu EMDV8500 a podpůrných SW prostředků pro kompletní konfiguraci obvodu EM8500 bude uveřejněn v následujícím čísle časopisu DPS.

Podrobnější informace o obvodu EM8500 firmy EM Microelectronic a další dokumentace jako datasheet, aplikační listy jsou dostupné zde [2]. Vzorky obvodu EM8500 v pouzdře QFN24 jsou na vyžádání k dispozici v EM Microelectronic. Obvod EM8500 i příslušný vývojový kit EMDV8500 jsou volně prodejné.