Съвременни Energy Harvesting технологии, компоненти и решения – част 2

• Приложенията на Energy Harvesting системите включват безжични сензори за налягане, безжични ключове, проследяване на стоки, и др.
  
  
• Всеки един елемент, както и системата като цяло трябва да бъдат оптимизирани спрямо консумация и загуби
  
  
• За EH приложения с по-голяма консумация се предпочитат и използват суперкондензатори

Димитър Колев

В първата част на статията, публикувана в бр. 6/2022 на сп. Инженеринг ревю, бяха представени основните типове Energy Harvesting (EH) генератори и изискванията към преобразувателите и захранванията. Тук продължаваме с типични решения и компоненти за реализиране на EH системи.

Типичен пример за универсална демонстрационна платка за запознаване и експериментиране с различни видoве Energy Harvesting преобразуватели е DC2402 (Фиг. 1), която може да работи с PZT, PV, 4 – 20 mA, TEG или всеки AC/DC източник с висок импеданс. Платката включва четири независими захранвания, изградени около следните интегрални схеми:

• LTC3588-1 - Захранване за PZT
  
  
• LTC3108 - Повишаващо ключово захранване и контрол, с ниско стартово напрежение
  
  
• LTC3105 - Повишаващо ключово захранване и контрол, с допълнителен линеен регулатор
  
  
• LTC3459 - Маломощен синхронен повишаващ конвертор
  
  
• LTC2935-2/LTC2935-4 - Маломощен захранващ контролер с избираеми Power-Fail нива.

Демонстрационната платка може да се свързва към безжични сензори Dust mote, Energy Micro STK развоен кит и др.
Интерес представлява LTC3588-1 на AD, (Фиг. 2), която интегрира мостов изправител с малък пад на напрежение и ефективен понижаващ регулатор, които формират цялостно решение за EH с висок изходен импеданс като PZT, PV или електромагнитни преобразуватели. Енергията генерирана от EH се натрупва във входния кондензатор и при достигане на нужното ниво понижаващият регулатор осигурява нужното изходно напрежение (до непълно разреждане на входния кондензатор, след което цикъла се повтаря). Когато напрежението е в нужните граници, LTC3588-1 “заспива”, като при това състояние входните и изходни утечки са минимални.

Понижаващият регулатор се включва и изключва, когато е нужно. Изходното напрежение може да бъде избрано от 1,8 до 3,6 V при постоянен изходен ток до 100 mA. Импулсна консумация с по-високи стойности е възможна при правилен подбор на изходния кондензатор. ИС има вградена защита от макс. 20 V на EH входа. Сред приложенията са безжични сензори за налягане, проследяване на стоки, безжични ключове и др.

Друг пример са ИС AP4470/AP4473, произвеждани от АКМ. Характерно за тях е много ниското стартово минимално напрежение. Интегрират DC/DC повишаващ конвертор и компаратори, позволяващи управление на резервоарните кондензатори и безопасно захранване на външни консуматори. AP4470 се нуждае само от 0,20 V при 1 uW, (AP4473 – от 0,15 V при 10 uW) за стартиране на повишаващия конвертор, без да е необходим допълнителен трансформатор. Когато външният кондензатор е зареден до 3,3 V се включва захранването на външния консуматор (контролер, радио модул и т.н.). Защитата от пренапрежение се задейства при 3,55 V. Двете ИС имат логически изходи, които сигнализират при стартиране на повишаващия конвертор (Startup flag) и при достигане на 3,3 V (Power good). ИС са подходящи за акумулиране на енергия от слънчеви клетки, пиезоелементи, термоелектрически генератори, микробиални горивни клетки (MFC) и др.

Повишаващото захранване ADP5090 (Фиг. 3) е подходящо за работа с PV клетки и термоелектрични (TEG) EH. ИС може да зарежда захранващи елементи като Li-Ion батерии и суперкондензатори и да захранва електронни устройства с ниска консумация. ADP5090 осигурява ефективна конверсия на събраната енергия в диапазона от 16 uW до 200 mW при собствени загуби под 1 uW. За старт се изисква напрежение от 380 mV, a при стартиран регулатор напреженията могат да се намират в целия обхват от 80 mV до 3,3 V. Чрез следене на входното напрежение на извод Vin, ИС осигурява стабилна работа на повишаващия конвертор, като регулируемите нива се задават на извод MPPT. Това осигурява максимално използване на енергията от PV или TEG EH. При ниски входни нива от EH генератора има възможност за спиране на повишаващия конвертор, като нивото може да се конфигурира според конкретното приложение (MINOP, DIS_SW изводи). Зарежданият кондензатор или батерия се предпазват от разреждане както чрез следене на напрежението им, така и чрез задаване на максимално напрежение при заряд и минимално напрежение при разряд (изводи PGOOD, SETSD, SETPG, TERM). Възможна е и комбинация с първичен източник – галванична батерия, като превключването между различните източници става автоматично.

В случаите, когато е необходимо комбинирано buck/boost (повишаващо/понижаващо) захранване, както и повече от един захранващ изход, интересно решение дава SPV1050 на ST Microelectronis (примерна схема е показана на Фиг. 4). ИС SPV1050 интегрира комбиниран DC/DC преобразувател и два независими линейни регулатора, плюс управление на външен транзистор за включване/изключване на захранваното устройство. Както при повечето съвременни ориентирани към Energy Harvesting ИС, и тук имаме възможност за следене на входното напрежение и максимално използване на наличната събрана енергия (MPPT алгоритъм). При първонален старт на входа се изискват 550 mV и 30 uA, но при вече стартирано захранване обхватът започва от 150 mV и може да достигне 18 V. Захранването на външен товар може да се осъществи чрез изводи STORE – за зареждане на външен кондезатор/батерия или използване на външен регулатор и два вътрешни линейни регулатора – LDO1 с 1,8 V при 200 mA и LDO2 с 3,3 V при 200 mA.

Други основни елементи в една съвременна ЕH система са контролерите, радио- и оптичните приемо-предаватели, както и различните дискретни елементи. Всеки един елемент и цялата EH система трябва да бъдат оптимизирани спрямо консумация и загуби. Основно изискване към микроконтролерите и радио приемо-предавателите, които разчитат на захранване от EH генератори и захранвания, е много ниската консумация, която се постига с различни хардуерни и софтуерни решения. Тази тема обаче изисква отделна статия и няма да бъде разглеждана тук.
Ще се спрем на някои от дискретните елементи – кондензатори, индуктивности, индикатори (LED, OLED, e-ink и други с много ниска консумация и висока ефективност).

Кондензаторите

са резервоарът на всяка EH система, особено ако не разчита на допълнително постоянно захранване или батерии. При относително ниски капацитети – от няколко микрофарада до няколкостотин микрофарада, някои сравнения показват че ESR не е толкова важен, колкото DCL (low leakage current, малка утечка), особено когато консумираният ток е съизмерим с утечката. В този случай танталовите (например Mn02 Pro на AVX) и керамичните кондензатори показват най-добри параметри.
За други EH приложения (с по-голяма консумация) се предпочитат и използват Electric-double-layer-capacitors (EDLC), наречени още суперкондензатори (supercapacitors). Те осигуряват оптимална комбинация от висок капацитет, ефективност и малки размери – качества, които стандартните електролитни и танталови/керамични кондензатори обикновено не могат да предложат.

Фамилиите суперкондензатори на Maxwell Technologies предлагат нисък ESR (Equivalent Series Resistance), със стойности на капацитета от порядъка на 650 F при размери 60х72 mm. Фамилиите CHP3225A на Seiko Instruments и PAS на Taiyo Yuden сериите включват 11 – 14 mF кондензатори в корпуси 3,2х2,5 mm (колкото кварцов осцилатор).

Много надежди се възлагат и на използването на материали като карбон и графен за кондензатори с минимални размери и максимален капацитет на единица площ/обем, но тези елементи са все още обект на изследователска и развойна дейност.

Индуктивностите

се използват във всеки повишаващ конвертор, като изискванията са минимални размери, максимален ток и, разбира се, екраниране за постигане на електромагнитна съвместимост. Типичен пример е WE-EHPI серията на Wuerth Elektronik (Фиг.5)

Индикаторите

често са единственият начин (при липса на допълнителна комуникация) да установим дали системата работи добре или има проблем. Те нерядко се реализират с дискретни светодиоди. Съвременните LED с висок светлинен добив при минимално напрежение и ток са вече стандартни компоненти и гарантирани стойности като If = 0,5 – 1 mA са обичайни, като е напълно възможно светодиодите да функционират дори с по-малък ток от гарантирания в техническите данни.

Освен това съществуват бистабилни LCD индикатори, дисплеи с e-ink и електрохимични дисплеи, които изискват минимално напрежение и имат консумация само при промяна, но не и в статично състояние. Подобни индикатори могат да се захранват и променят изображението чрез PV, без или със допълнителна батерия, или чрез NFC комуникация, която може да предостави и необходимото захранване.