Vítejte, dnes je
sobota 23.
listopad
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Robustní systém pro napájení bezdrátových sensorů používá napájecí zdroj založený na získávání energie pomocí piezoelektrického jevu a Li-Poly baterie s nabíjecím obvodem.
Získáváním energie z okolního prostředí se jí často neprodukuje dostatečné množství k tomu, aby senzorové jednotky mohly pracovat bez přerušení – „sklizní“ energie lze získat okolo 1 až 10 mW, zatímco aktivní jednotka sensor-radio může vyžadovat 100 až 250 mW. Získaná energie musí být tedy uložena tak, aby mohla být použita kdykoliv je potřeba během pracovních cyklů senzorové jednotky a přitom nepřekročila možnosti systému pro uskladnění energie. Tak může sensor s přenosovou jednotkou pracovat i ve chvíli, kdy nelze žádnou externí energii získat.
A ještě něco – pokud je uložená energie vyčerpána a zařízení se musí vypnout, systém může chtít provést ještě jisté úkony před úplným vypnutím. Ty mohou zahrnovat např. uložení informací do nevolatilní paměti. Z tohoto důvodu je důležité kontinuálně měřit dostupnou energii.
Na obr. 1 je zapojení systému, který používá obvod LTC3588-1, což je tzv. „energy harvester“, který zajišťuje kompletní řešení pro získání energie z piezoelektrických měničů a buck regulátor v jednom IC. Dále zde jsou dva LTC4071 (shunt battery charger), dvě baterie GM BATTERY GMB301009 8 mAh a simulovaná jednotka sensor-radio, která je modelována se zátěží 12,4 mA při pracovním cyklu 1 %. LTC 3588-1 obsahuje můstkový usměrňovač s velmi malým zpětným proudem se vstupy na PZ1 a PZ2 a výstupem mezi VIN a GND. VIN je také vstupním napájením pro buck regulátor s velmi nízkým klidovým proudem. Výstupní napětí buck regulátoru je nastaveno pomocí D1 a D0 na 3,3 V.
Obr. 1 Kompletní napájecí systém, který využívá piezo-energii, je nezávislý na rozvodné napájecí síti. Tento návrh používá baterie typu thin film k uchování energie z piezoelektrického měniče pro napájení přenosové jednotky sensoru, který operuje s 1% pracovním cyklem.
LTC3588 je buzen piezoelektrickým měničem PFCB‑W14 od Advanced Cerametrics Incorporated, který může generovat až 12 mW. V našem případě zajišťuje PFCB-W14 zhruba 2 mW výkonu.
LTC4071 je shunt battery charger s programovatelným napětím a teplotní kompenzací. Napětí je nastaveno na 4,1 V s tolerancí ±1 %, čímž se dosáhne max. 4,14 V, které je bezpečně nižší, než je max. napětí na bateriích. LTC4071 také kontroluje přes NTC signál, jak jsou baterie horké, a při vysokých teplotách snižuje napětí, aby se životnost baterií prodloužila.
LTC4071 může pracovat s 50 mA, ale když má baterie nižší napětí, potom potřebuje z baterie pouze asi 600 nA.
Baterie GM BATTERY GMB301009 mají kapacitu 8 mAh a vnitřní odpor okolo 10 Ω.
Simulovaný obvod sensor-radio je modelován pomocí Microchip PIC18LF- 14K22 a MRF24J40MA 2,4 GHz (IEEE standard 802.15.4 radio). Rádiová jednotka odebírá 23 mA při vysílání a 18 mA při příjmu. Použitý model tuto spotřebu reprezentuje jako zátěž 12,4 mA při pracovním cyklu 0,98 % (2 ms/204 ms), nastavenou pomocí digitálního časovače a MOSFETu, který spíná rezistor 267 Ω.
Tento systém má dva módy provozu: nabíjení– přenos a vybíjení–přenos. V módu nabíjení–přenos jsou baterie nabíjeny, zatímco modul sensor-radio představuje 0,5% zátěž. Při vybíjení je sensor-radio v provozu, ale z piezoelektrického měniče PFCB-W14 se nezískává žádná energie.
Když je tento mód práce aktivní, piezoelektrický měnič PFCB-W14 dodává v průměru přibližně 9,2 V×180 μA, což je zhruba 1,7 mW. Získaný proud musí nabíjet baterii a buck regulátor, který provozuje simulovaný modul sensor-radio. Tento modul potřebuje 12,4 mA×3,3 V, což je asi 41 mW během 1 % doby, nebo v průměru 0,41 mW, čímž zbytek proudu nabíjí baterii. Když se vezme v úvahu 85% účinnost regulátoru LTC3588 při předpokládaném průměru napětí VIN 9,2 V (viz obr. 2) a klidový proud regulátoru 8 μA, průměrná velikost proudu spotřebovaná systémem bez napájení baterií je:
Energie získaná z piezoelektrického měniče může napájet modul sensor-radio v pracovním cyklu 0,5 % a nabíjet baterie proudem asi 120 μA. Baterie GMB301009 mají kapacitu 8 mAh, takže jsou úplně nabity z prázdného stavu asi za 75 hodin.
Obr. 2 Nabíjení při zátěži modulu sensor-radio
Když piezoelektrický měnič PFCB-W14 nedodává energii, napětí VIN spadne na hodnotu asi:
To způsobí změnu ve výpočtu zatížení:
Klidový proud buck regulátoru je vyšší, protože regulátor musí spínat častěji, aby reguloval 7,5 V oproti 9,2 V. Při 78 μA, kdy není dodávaná žádná energie z okolí, je baterie vybita přibližně za 115 hodin. To indikuje, že kapacita nabité baterie je větší než 8,95 mAh. Když jsou tyto baterie nové, mohou uložit asi o 12 % více, než je uváděno.
Větší a vážnější problém může nastat, když jsou baterie úplně vybité. Pokud se odebírá z baterie proud i po vyčerpání uložené energie, její napětí klesne pod 2,1 V a baterie je trvale poškozena. Z tohoto důvodu musí aplikace zajistit, že napětí baterie nikdy neklesne pod tento limit. Proto je odpojovací napětí baterie nastaveno na 2,7 V nebo 3,2 V, aby se zajistilo, že nějaká energie v baterii zůstává i poté, kdy odpojovací obvod je aktivován.
Jednoduché zastavení činnosti vysílače nebo odpojení zátěže neochrání baterii úplně, protože LTC4071 potřebuje klidový proud asi 600 nA. I když je tato hodnota extrémně nízká, celková zátěž včetně LTC3588-1 je téměř 2 μA. Úplně vybitá baterie bude moci dodat přibližně 100 μA, než její napětí klesne tak, že se poškodí.
Odpojovací obvod je nutností k zajištění baterie proti vybití v určitém časovém rozmezí. LTC4071 má interní obvod pro odpojení vybité baterie. Měřením bylo zjištěno, že aktivní odpojovací obvod zatěžuje baterii proudem menším než 2 nA při pokojové teplotě. Tento únik proudu je způsoben hlavně svodem desky plošných spojů. Při odběru proudu 2 nA může baterie fungovat ještě asi 50 000 hodin, aniž je trvale poškozena.
Obr. 3 Vybíjení při odpojení baterie při nízkém napětí
Na obr. 3 je vidět, že druhá baterie (BAT2) je odpojena za 50 hodin po první baterii BAT1 kvůli 2μA zátěži.
Systém ukázaný na obr. 1 byl měřen v obou módech provozu: vybíjení–přenos (obr. 3) a nabíjení–přenos (obr. 4).
Obr. 4 Opětovné nabíjení baterie po jejím předchozím odpojení kvůli nízkému napětí
Pro vybíjení-přenos: Na obr. 3 jsou napětí obou baterií BAT1, BAT2 a VBUCK zakreslena v porovnání s časem, přičemž baterie dodávají systému všechnu potřebnou energii, zatímco z piezo měniče PFCB-W14 žádná energie nepřichází. Baterie se pomalu vybíjí, až BAT2 aktivuje LBO prahovou hodnotu LTC4071, který aktivuje odpojovací obvod a odpojí BAT2 od obvodů s výjimkou U5. To způsobí, že napětí na vývodu VIN u LTC3588 spadne pod úroveň UVLO regulátoru a ten se zavře. Zátěž na BAT1 je 2 μA klidového proudu LTC4071 a LTC3588. Tato malá zátěž pomalu vybíjí BAT1, až nízký stav baterie aktivuje odpojovací obvod v LTC4071, který BAT1 odpojí.
Pro nabíjení-přenos: Když PFCB-W14 začne opět dodávat systému energii, VIN stoupne na 7 V, což dále ovlivní diody odpojovacího FETu zabudovaného v LTC4071. Tím se baterie nabíjí až do chvíle dosažení úrovně přepojení baterií, při které jsou baterie BAT1 a BAT2 přepojeny. To je vidět na obr. 4, kde napětí na VIN se skokem sníží na úroveň tzv. stack voltage baterie.
Protože napětí na vývodu VIN je nyní VBAT1+VBAT2+(180 μA×15 K)=6,2 V, buck regulátor v LTC3588 se restartuje a tak je 3,3 V znovu dostupné.
S několika součástkami, které jsou jednoduché na použití, je možné zhotovit kompletní a kompaktní napájecí jednotku pro bezdrátový přenos dat se sensorem, který získává energii z okolí. V tomto případě se využívá piezoelektrický měnič, který dodává energii k nabíjení baterií, ze kterých se potom modul sensor-radio napájí. Zabudovaný odpojovací obvod chrání baterii proti přílišnému vybití. Tento systém může plně nabít baterii za 75 hodin i v případě, že sensor-radio pracuje s pracovním cyklem 0,5 %.
Baterie dovolí systému pokračování v operaci jednotky sensor-radio při pracovním cyklu 0,5 % po dobu 115 hodin poté, co piezoelektrický měnič PFCB-W15 skončí s dodáváním energie. Pokud je požadována delší doba, může být snížen pracovní cyklus modulu pro přenos dat sensoru.
