Mae casglu ynni yn cael ei ystyried yn bennaf fel dull cyflenwi pŵer ar gyfer cyflenwad pŵer i'r dyfeisiau electronig y mae angen eu hychwanegu at y cyflenwad pŵer neu heblaw'r batri. Mewn llawer o achosion, yn aml nid oes gan gymwysiadau sy'n defnyddio casgliadau ynni ddigon o le i ddarparu ar gyfer cyfeintiau mawr. Ymhlith yr enghreifftiau nodweddiadol mae technolegau gwisgadwy fel teclynnau ffitrwydd a dyfeisiau monitro iechyd, yn ogystal â nodau synhwyrydd diwifr fel cymwysiadau monitro statws amgylcheddol neu strwythurol.
Yn nodweddiadol, mae angen defnyddio'r egni a gesglir o ffynonellau ynni amgylcheddol fel ynni'r haul, dirgryniad neu wahaniaethau tymheredd, yn effeithiol ar ôl trosglwyddo, rhoi hwb a storio dros dro. Y dyddiau hyn, mae nifer o gwmnïau a lansiwyd gan yr apiau casglu ynni a chylchedau integredig rheoli pŵer yn cynyddu fwyfwy. Ond mae'r pwysau'n wynebu, er mwyn sicrhau bod y dyfeisiau hyn wedi'u hintegreiddio'n fawr i hwyluso gweithrediad aml-swyddogaeth, a dylai'r maint fod mor fach â phosib. Nid oes amheuaeth bod defnydd pŵer yr offer ei hun yn isel iawn.
Bydd yr erthygl hon yn amlinellu anghenion miniaturio marchnadoedd offer electronig y gellir eu gwisgo'n gyflym a'u cymwysiadau cysylltiedig, ac yn trafod yn ddiweddar, gwefrydd hwb BQ25570 gyda thrawsnewidwyr bwch integredig, a chyfres o ddewisiadau amgen tebyg a chydrannau cyflenwol. Bydd yr erthygl hon yn cyfeirio at ganllaw defnyddiwr TI, yn egluro sut i ddefnyddio'r ddyfais yn effeithiol i ultracen terfyn pŵer isel, gofod / pwysau.
Mwy o nodweddion Heddiw, dyfeisiau mwy gwisgadwy sy'n olrhain y cynllun ffitrwydd i fonitro statws iechyd a darparu cyflyrau gofal iechyd a darparu gwasanaethau meddygol. Fel y mwyafrif o ddyfeisiau cludadwy, bydd y duedd hon yn hyrwyddo'r cynnydd mewn swyddogaethau offer y mae defnyddwyr yn ei ddisgwyl. Os yw'r ddyfais GPS wedi'i hintegreiddio i'r monitor cyfradd curiad y galon, olrhain rhif y cylch recordio neu'r llwybr rhedeg, bydd y monitor cyfradd curiad y galon yn fwy ffafriol. Ar hyn o bryd, gall offer monitro iechyd gwisgadwy modern fonitro pwysedd gwaed, tymheredd y corff, cynnwys ocsigen gwaed, cyfradd curiad y galon a gweithgaredd.
Ffigur 1: Bydd casglu ynni yn dechnolegau allweddol mewn llawer o gymwysiadau dyfeisiau electronig gwisgadwy.
Chwith: Gall sanau craff Sensoria, sydd â synwyryddion pwysau, gyfathrebu â'r cylchoedd traed trwy Bluetooth i helpu i nodi a gwella ystumiau rhedeg (sawdl / troed). Gall synwyryddion eraill olrhain cofnodion, cyflymder, calorïau bwyta, uchder a phellteroedd.
Dde: Ymchwil a Datblygu Sefydliad Fraunhofer Gall yr offer ategol gwisgadwy ar gyfer y grŵp oedrannus ddarparu cyfres o wasanaethau rhaglenadwy fel cymryd nodiadau atgoffa cyffuriau, monitro iechyd a galwadau cymorth brys.
Mae cysylltiad diwifr yn ei gwneud hi'n hawdd trosglwyddo a storio data a gasglwyd i'w ddadansoddi'n ddiweddarach. Mae rhwydweithiau synhwyrydd diwifr fel rhan o Rhyngrwyd Pethau, yn hanfodol mewn cymwysiadau fel adeiladau deallus a monitro amgylcheddol, a rhaid casglu data o lawer o synwyryddion yn y cymwysiadau hyn. Oherwydd hyn, synwyryddion integredig, cylchedau amledd radio, a microcontrolwyr mwy manwl gywir mewn gwylio craff, monitor biometreg, cynhyrchion tag ID, nodau synhwyrydd, a chymwysiadau gwisgadwy neu anghysbell eraill.
Fodd bynnag, dylid ffafrio dyfeisiau aml-swyddogaeth o'r fath, heblaw am fywyd batri rhesymol, mae hefyd angen pwysau ysgafn, maint bach a chysur. Mae dylunwyr wedi defnyddio technegau casglu ynni i ddefnyddio ynni amgylcheddol yn effeithiol fel gwres y corff neu ôl troed, fel bod y batri yn parhau i wefru. Mewn rhai dyfeisiau (fel dyfeisiau wedi'u mewnblannu), yr egni a gesglir yw'r unig ffynhonnell ynni.
Felly, gellir ystyried casglu ynni fel technoleg ymarferol ofodol y gellir ei defnyddio yn lle batri, a gall gyflawni cyfaint llai o batri y gellir ei ailwefru. Ar gyfer unrhyw ddyfais sy'n cael ei bweru gan y batri neu'r ynni a gyflenwir, mae rheoli pŵer yn bwysig iawn. Er mwyn sicrhau'r perfformiad gorau posibl a gweithrediadau effeithlonrwydd uchel trwy ddefnydd pŵer uchel, fel rheol cyflenwadau pŵer afreolaidd, mae angen cywirdeb a manwl gywirdeb penodol. Mae nifer o weithgynhyrchwyr IC wedi targedu'r farchnad hon, gan gynnwys Dyfeisiau Llinol Uwch, Cymbet, Technoleg Llinol, Maxim Integrated, Spansion, StMicroelectronics, a Texas Instruments.
O'i gymharu â'r hen genhedlaeth o bŵer, mae'r genhedlaeth newydd o gyflenwadau pŵer yn uwch, mae'r cyfaint yn llai, ac mae'r defnydd pŵer yn is. Mewn theori, bydd y ddyfais yn cael yr egni sy'n deillio o hynny, ac yna'n trosi a / neu'n rhoi hwb, ac o'r diwedd yn ei gyflenwi'n uniongyrchol i'r system neu'r ddyfais storio ynni y gellir ei hailwefru. Gellir cysegru rhai dyluniadau i fath o ddyfais storio ynni fel supercapacitor neu botwm ïon lithiwm. Mae yna ddyluniadau eraill hefyd sy'n cefnogi dyfeisiau storio ynni lluosog. Yn yr un modd, gall rhywfaint o ddyluniad fod yn ymroddedig i fath o gasgliad ynni, ac mae dyluniadau eraill sy'n cefnogi sawl math o egni.
Ffocws i'w nodi yw'r foltedd cychwyn sy'n ofynnol ar gyfer gwahanol gymwysiadau. Dechreuir rhai cymwysiadau i 20 mV, ond gall y swyddogaeth fod yn gyfyngedig, ac mae angen cydrannau cyflenwol ychwanegol i reoli pŵer yn ddigonol. Efallai bod gan y cydrannau ag integreiddio uwch faint llai, ac mae'r cerrynt statig cyffredinol yn is, ond efallai y bydd angen foltedd cychwyn uwch i'w gwneud yn fwy dibynnol ar y lefel isaf o egni storio. Mae rhai dyfeisiau wedi'u targedu'n fawr, wedi'u neilltuo i nodau synhwyrydd pŵer ultra-isel. Bydd dyfeisiau eraill yn cefnogi lefelau foltedd mewnbwn uwch i fodloni'r gofynion yn seiliedig ar offer microcontroller, ond ar gyfer cymwysiadau casglu ynni, mae'r micro-ddyfeisiau hyn eu hunain yn isel iawn.
Mae'n bwysig bod angen i'r IC rheoli pŵer fod yn ddigon hyblyg i drin pŵer ysbeidiol a'r egni a gesglir (yn aml yn ansefydlog, ac yn aml yn casglu'r swm). Rhaid ystyried hyn wrth ddylunio'r system, hy digon o gapasiti storio ynni, mae'n bosibl darparu trydan cyson pan fo angen. Mae hyn yn dibynnu i raddau helaeth ar amlder darllen y synhwyrydd, a swm trosglwyddo'r data a'r amledd trosglwyddo.
Mae Texas INSTRUMENTS integreiddio uchel yn cynnig amrywiaeth o ficro-ddyfeisiau pŵer isel iawn ar gyfer cymwysiadau casglu ynni, gan gynnwys ICs rheoli pŵer, cysylltiadau diwifr, a microcontrolwyr. Mae BQ25570 diweddaraf y cwmni yn gasgliad ynni integredig uchel o ddatrysiad rheoli pŵer femto. Mae'n cwrdd â'r holl safonau gyda thechnegau casglu ynni a'r holl safonau ar gyfer cymwysiadau â chyfyngiadau pŵer.
Mae'r ddyfais yn gryno, gan ddefnyddio pecyn QFN 3.5 x 3.5 mm o 20 plwm, cerrynt statig pŵer ultra-isel yw 488 NA (gwerth nodweddiadol), ac mae'r modd cludo yn. 1881.5 NA. Yn ogystal, mae modiwl gwerthuso BQ25570EVM hefyd. Am gynhyrchion manwl a gwybodaeth ymgeisio, cyfeiriwch at ganllaw defnyddiwr bwrdd manyleb a gwerthuso 2.
Mae'r ddyfais yn dal i fod angen cynhwysydd allanol a gwrthydd, ond oherwydd integreiddio uchel, gall leihau'r angen am offer ychwanegol. Mae'r cyfarpar yn ddelfrydol ar gyfer rhwydweithiau synhwyrydd diwifr sydd â gofynion pŵer a gweithredol llym, gan weithredu datrysiad gwefrydd modiwleiddio amledd pwls egni uchel (PFM) a datrysiadau trawsnewidydd bwch pŵer femto. Gweler Ffigur 2 isod: Gellir defnyddio'r cyfarpar ar y cyd ag amrywiaeth o egni rhwystriant uchel, gan gynnwys ffotofoltäig (solar), generadur thermoelectric (TEG), a chywirydd AC / DC a generaduron piezoelectric. O'r cyflwr cychwyn oer, lleiafswm foltedd trawsnewidydd / gwefrydd hwb DC / DC y ddyfais yw 330 mV. Mae ei ragdybiaeth yn seiliedig ar: mae'r cyflenwad pŵer mewnbwn yn darparu o leiaf 5 μW (nodweddiadol), ac mae allbwn y trawsnewidydd llwyth yn llai na cherrynt gollyngiadau 1 μA (gan gynnwys cerrynt gollyngiadau'r elfen storio). Fodd bynnag, mae foltedd allbwn y trawsnewidydd hwb yn cyrraedd 1.8 V ar ôl rhedeg, a gellir cael y foltedd 100 MV sy'n ofynnol ar gyfer y ddyfais o'r ffynhonnell casglu ynni.
Mae'r trawsnewidydd bwch yn cael ei gael yn gyntaf o'r allbwn trawsnewidydd hwb i gael pŵer mewnbwn, ac yna mae'n perfformio proses camu i lawr, ac yn olaf yn darparu foltedd addasu ar gyfer y pin allbwn. Mae'r trawsnewidydd bwch yn defnyddio rheolaeth PFM i addasu'r foltedd i'w alluogi yn agos at y gwerth a osodir gan y rhannwr foltedd gwrthydd rhaglenadwy defnyddiwr. Mae'r cerrynt trwy'r inductor yn cael ei reoli gan y gylched canfod cerrynt mewnol. O amser y modd cyflwyno, mae'r amser tua 100 ms, o'r modd wrth gefn yn cychwyn yn gyflymach, ond mae hyn yn dibynnu ar faint y cynhwysydd allbwn.
Gellir defnyddio BQ25570 gydag amrywiaeth o ddyfeisiau storio, gan gynnwys cynwysyddion, uwch-gynwysyddion, batris ïon lithiwm, a batris cemegol eraill. Pan fydd y system mewn modd pŵer isel neu gwsg, bydd y casglwr yn darparu digon o egni trydanol i wefru'r elfen storio. Pan nad yw'r casglwr ynni'n gweithio, rhaid bod gan y batri neu'r cynhwysydd ddigon o bŵer i bweru llwyth y system gyfan. Mae angen elfen storio 100 μF cynhwysydd cyfatebol i hidlo cerrynt pwls y gwefrydd newid PFM.
Yn ôl canllaw defnyddiwr TI, y prif wahaniaeth rhwng y batri a'r supercapacitor yw nad oes llawer yn y batri, a hyd yn oed llai na swm penodol o foltedd, ac mae uwch-gapten. Mae angen i ddylunwyr systemau nodi bod cerrynt gollyngiadau sylweddol, sy'n cyfateb i lwyth DC ar allbwn y trawsnewidydd hwb.
Mae Olrhain Pwynt Pŵer Uchaf (MPPT) yn cyfeirio at egni a rheolaeth fwyaf pwerus y gell ffotofoltäig (70 i 80%) a TEG (50%). Mae swyddogaethau eraill y mae'r offer sy'n cael eu pweru gan batri yn rheoli effeithlonrwydd ynni uchel yn cynnwys: gor-foltedd batri ac amddiffyniad tan-foltedd, cau thermol awtomatig y batri ïon lithiwm y gellir ei ailwefru. Mae monitro statws batri yn gywir yn nodwedd bwysig arall. Os gall y system fynd i mewn i gyflwr tan-foltedd, mae hefyd angen sbarduno'r swyddogaeth gollwng cerrynt llwyth.
Offer amgen ac offer atodol Mae'r swyddogaethau BQ25504 a BQ25505 a lansiwyd gan Ti yn debyg, ond mae'r cerrynt quiescent yn llai na 325 NA. Mae'r ddau ddyfais wedi'u cyfarparu â gyrrwr giât amlblecs amlbwrpas pŵer ymreolaethol, unwaith y bydd wedi cychwyn, gan ganiatáu i'r system gael egni o ffynonellau casglu ynni a batris cynradd, gan sicrhau bod pŵer cyson yn cael ei ddarparu pan fo angen, hyd yn oed pan nad yw'r casglwr ar gael. hefyd gweithio'n iawn. Mae'r cerrynt statig ultra-isel yn bwysig iawn pan nad yw'r system yn gallu diffodd, fel y gellir ymestyn oes y batri.
Os yw'r maint a'r pwysau yn broblem, mae TI yn argymell BQ25100, sef gwefrydd batri llinellol â phwer is, yn arbennig o addas ar gyfer botymau ïon lithiwm sengl. Mae'r ddyfais wedi'i chrynhoi gan 0.9 x 1.6 mm WCSP, mae'n cefnogi hyd at foltedd mewnbwn hyd at 30 V, gan ganiatáu i'r cerrynt gwefru cyflym gael ei reoli'n gywir o fewn 10 mA i 250 mA.
Mae'r offer cyflenwol modiwlau trawsnewidydd bwch TPS82740A a TPS8274B yn cefnogi cerrynt allbwn 200 mA, mae effeithlonrwydd trosi mor uchel â 95%, dim ond 360 NA yw'r cerrynt quiescent a ddefnyddir, a 70 NA yw 70 NA. Mae'r pecyn 6.7 mm2 yn cynnwys rheolydd newid, inductor, a chynhwysydd I / O. Trwy integreiddio'r holl ddyfeisiau goddefol angenrheidiol, mae cyfaint y ddyfais 75% yn llai na'r un datrysiad arwahanol. Mae'r TPS82740A yn gymhwysiad foltedd ultra-isel, ac mae gan y TPS8274B y nodwedd "Rheoli DCS", sy'n addas ar gyfer rheoli pŵer, fel Ti, ar gyfer, er enghraifft, Ti. Cyfres MSP430.
i gloi I ddewis cymhwysiad cludadwy o dechnoleg casglu ynni, dewiswch yr IC rheoli pŵer priodol, mae angen i chi ystyried gofynion pŵer y system, potensial cynhyrchu ynni a gallu storio ynni yn ofalus. Ar bennau isel yr ystod pŵer (fel nodau synhwyrydd diwifr), neu os yw'r egni a gynhyrchir gan y TEG yn fach iawn, mae dewis y ddyfais yn fwy cyfyngedig. Os mai maint bach a phwysau ysgafn yw'r flaenoriaeth orau, yna dewiswch integreiddiad uwch, fel sawl un o'r erthygl hon, efallai'r ateb gorau.
Mae ein cynnyrch eraill:
