Energie se sbírá, I/O rozšiřují a dokumentace stává dynamickou

Hledáte způsob, jak efektivně napájet drobnou elektroniku ze všudypřítomné energie okolo nás nebo vás pro změnu trápí nedostatek univerzálních vstupů či výstupů a potřebujete rychle zvýšit jejich počet? A co třeba datasheety – jak by také mohly vypadat v nové generaci? Novinek od společnosti Nexperia se tentokrát sešlo hned několik a vývojářům určitě mají co nabídnout.

Budiž světlo. Tudíž i energie

Ne téma efektivního sběru energie z okolního prostředí pod hlavičkou firmy Nexperia jsme na stránkách DPS Elektronika od A do Z naposledy psali v [1]. Známý výrobce ale nízkopříkonovým systémům ze světa internetu věcí nahrává i tentokrát. V dubnu totiž představil kapacitní DC/DC měnič, tedy řešení bez výskytu problematických indukčností, které je opět vhodné k takovému druhu řízení napájení [2]. U prvků s označením NEH2000BY, chráněných v plastovém pouzdru typu QFN se šestnácti vývody o rozměrech 3 x 3 mm, se budeme na vstupu výkonově pohybovat někde mezi 35 mikrowatty až dvěma miliwatty. To na jednu stranu není vůbec mnoho, ale pro cílové aplikace, jako jsou bezdrátová zařízení IoT, nositelná elektronika, digitální cenovky, majáky či chytré dálkové ovladače, zcela soběstačná a ještě menší spotřební elektronika obecně, ale též oblast monitorování okolního prostředí, třeba i v průmyslu, to může bohatě stačit. Zvláště když tu ještě máme dobíjecí baterii. Komu by se také chtělo neustále s sebou „tahat“ rozměrný fotovoltaický článek!

Obr. 1  S energiemi je zapotřebí umět zacházet. Dokážou to i nové součástky firmy Nexperia, kterým na vstup zapojíme vhodný solární článek [2]

ntegrovaný obvod NEH2000BY typu PMIC [3] vyžadující minimální počet vnějších součástek bude z principu nabíjet akumulátor nebo též vhodnou kapacitu a využívat přitom energii ukrytou v dopadajícím světle, přesně jak to i vidíme na obr. 2. Jen si představte, kolik obyčejných primárních baterií se tím každoročně ušetří. A to ještě nehovoříme o práci spojené s jejich výměnou v tu nejméně vhodnou chvíli, dalších nákladech a samozřejmě i potřebě vše správně recyklovat. Obvodové řešení zde může být při srovnání s ostatními až dvacetkrát menší a ještě se obejdeme bez dodatečných optimalizací pro jednotlivé aplikace.

Obr. 2  Vnitřní struktura obvodu NEH2000BY společně s ukázkou typického zapojení, které lze dále rozšířit o vnější přepěťovou ochranu baterie ovládající vývod „Disable“ [3]

V ukázkovém návrhu, který bude dále počítat se solárním článkem AM-1454 od společnosti Panasonic o velikosti 41,6 x 26,3 mm, s napětím naprázdno 2,4 V, napětím bodu maximálního výkonu MPP (Maximum Power Point) 1,85 V a souvisejícím nejvyšším výkonem 67 μW při 600 luxech, mohou rozměry desky plošného spoje dosahovat se třemi kondenzátory, zmíněným obvodem PMIC a také dodatečnou ochranou (OVP) jen 6,0 x 5,8 mm. Zvyšující DC/DC měnič (2x) pak poplatně účinnosti dosahující až osmdesáti procent zajistí při daných okolních poměrech výkon 54 μW. Na pozici nabíjecí baterie by se mohl např. hodit lithium-iontový článek mincového provedení LIR2450 o kapacitě 120 mAh.

Samostatnou kapitolou bude u nových součástek NEH2000BY firmy Nexperia pracujících až do +85 °C tvořit schopnost přizpůsobit se proměnlivým podmínkám okolního prostředí tak, abychom vždy dosahovali maximální možné účinnosti konverze. K tomu nám poslouží adaptivní algoritmus MPPT pro sledování bodu maximálního výkonu. Díky přesnosti, která se tu dále snoubí s rychlostí, dokáže nyní systém PMIC flexibilně zareagovat i na svižné změny, a to za méně než jednu vteřinu. To je ostatně mnohem rychleji než v případě jakýchkoli dalších aktuálně dostupných řešení. Systém sledování MPPT není kromě toho závislý na konkrétních parametrech prvku zajišťujícího sběr energie z okolního prostředí, takže lze použít prakticky jakýkoli „harvester“ vyhovující specifikacím pro daný čip.

Obr. 3  Volné porty GPIO nebývají zpravidla „nafukovací“. Přirozené řešení jejich nedostatku však existuje a nemusí být vůbec složité [4]

Když chybí vývody

Další novinkou firmy Nexperia z letošního dubna budou 16kanálové expandéry univerzálních vstupů-výstupů (GPIO) řešené prostřednictvím rozhraní I²C a navržené tak, aby zvyšovaly flexibilitu, včetně možnosti opakovaného využití elektronických systémů. Uplatnění najdou všude tam, kde se nám již nedostává potřebných portů I/O a návrh navíc nechceme zbytečně komplikovat s rostoucím počtem vzájemných propojení [4].

Obr. 4  Příklad typického zapojení s expandéry vstupů/výstupů, integrovanými obvody NCA9595 [5]

nožství výstupních signálů z nejrůznějších snímačů, které je zapotřebí monitorovat s využitím mikrokontroléru, neustále roste, podobně jako výčet kontrolek s LED na pozici stavových indikátorů činnosti systému apod. Jenže mikrokontroléry bývají často navržené s omezeným počtem portů GPIO a řadu z nich navíc interně využívá samotný systém, takže nám zase tolik I/O navíc nezbývá. A právě zde vstupují do hry „I²C GPIO”“, třeba až s dalšími 128 kanály. Vývojáři zde proto mohou elegantně zapracovat i nové funkce, aniž by to znamenalo výrazně složitější návrh desky plošného spoje.

Výrobce konkrétně zmiňuje obvody NCA9595 znázorněné na obr. 5, které ve své třídě jako první expandéry GPIO nabídnou vlastní pull-up rezistory s možností konfigurace prostřednictvím registrů, takže lze bez potřeby dalších externích součástek optimalizovat výkonovou spotřebu s ohledem na konkrétní zadání. Nabídka firmy Nexperia [5] však zahrnuje i jiné, vývodově kompatibilní prvky NCA9535, NCA9539 a NCA9555 v provedeních typu TSSOP24 či HWQFN24. Při konkrétním výběru zde bude hrát roli např. reset nebo interní pull-upy. Součástky se pyšní odběrem 2,5 μA (standby), výstupní kapacitou 4,5 pF a také prodlevou 280 ns. Napájeny budou v rozmezí 1,65 až 5,5 V, zatímco teplotní rozsah může skončit až na +125 °C.

Obr. 5  Konkrétní chování polem řízených tranzistorů MOSFET může být někdy velkou neznámou. Napovědět nám často neumí ani jinak podrobný a obsáhlý datasheet [6]

Vývoj nezastavíš. Ani v případě dokumentů

Když se řekne dokumentace, příliš se nad tím nepozastavujeme. Co jiného taky u celé řady produktů snad ze všech myslitelných oborů čekat! Jenže ve společnosti Nexperia, jejíž nedávné novinky dnes představujeme, se „zastavili“ a mohli tak přijít s novou generací interaktivních datasheetů [6] doprovázející jejich výkonové tranzistory MOSFET. Díky posuvným prvkům, třeba dle obr. 6, lze názorně upravovat napětí, proudy, teplotu nebo i jiné parametry a okamžitě přitom sledovat, jak pracovní bod součástky dynamicky reaguje na právě prováděné změny. V praxi to pak může znamenat i vzájemné ovlivňování mezi napětím hradla, proudem kolektoru, odporem v sepnutém stavu a teplotou – v tabulkách nebo též formou grafů. Vývojáři již proto nemusí obecně provádět manuální výpočty nebo vše samostatně ladit prostřednictvím obvodových simulací (pokud ovšem daný výrobce nějaké modely vůbec nabízí; ani tak ale ještě nemusí podchytit klíčový vliv teploty na chování součástky).

Při výběru vhodného polovodiče bývá datasheet obvykle první hodnověrnou pomůckou, po které vývojář sáhne. Dostane zde sice spoustu zaručených informací, včetně minimálních, maximálních a také typických úrovní, ovšem často bez bližších vzájemných souvislostí. To se má ale změnit. Nové interaktivní „datové listy”, které hodlá výrobce patentově chránit, a s ohledem na zpětnou odezvu v nových verzích dále též funkčně rozšiřovat, jsou k dispozici hned vedle tradiční statické dokumentace a fungují v jakémkoli standardním webovém prohlížeči, navíc bez potřeby dodatečného simulačního softwaru. V květnu letošního roku bylo k dispozici již více než dvě stě takových datasheetů, právě pro nejnovější generace výkonových MOSFETů určených pro (automobilový) průmysl. Firma Nexperia navíc plánuje, že je výhledově zpřístupní pro celou svou nabídku diskrétních tranzistorů MOSFET, včetně dalších součástek. Vyzkoušejte si je už nyní [7].

Obr. 6  K rozdílu mezi statickou a dynamickou interaktivní dokumentací, kterou firma Nexperia v současnosti testuje a sbírá přitom poznatky od široké obce vývojářů [7]

Odkazy:

[1] Diatom aneb řízení napájení ve světle nových požadavků, https://www.dps-az.cz/soucastky/novinky/id:90524/diatom-aneb-rizeni-napajeni-ve-svetle-novych-pozadavku

[2] Tisková zpráva, https://www.nexperia.com/about/news-events/press-releases/Energy-harvesting-PMIC-from-Nexperia-enables-environmentally-friendly-energy-autonomous-low-power-devices.html

[3] Obvody NEH2000BY, https://www.nexperia.com/products/analog-logic-ics/power-ics/energy-harvesting-power-management-ics/NEH2000BY.html

[4] Tisková zpráva, https://www.nexperia.com/about/news-events/press-releases/Nexperia-introduces-the-best-in-class-portfolio-of-I2C-GPIO-Expanders.html

[5] I²C General-Purpose I/O (GPIO), https://www.nexperia.com/products/analog-logic-ics/interface/i2c-general-purpose-i-o-gpio/

[6] Tisková zpráva, https://www.nexperia.com/about/news-events/press-releases/Pioneering-interactive-datasheets-from-Nexperia-put-MOSFET-behavior-analysis-at-engineers--fingertips-.html

[7] Ukázka interaktivního datasheetu, https://www.nexperia.com/interactive-datasheet?id=BUK9M12-60E