Wydłużenie żywotność baterii za pomocą harvestera energii cieplnej

Bezprzewodowe i przewodowe systemy czujników często funkcjonują w środowiskach obfitujących w energię otoczenia, idealnie nadającą się do ich zasilania. Gromadzenie energii z otoczenia może znacznie wydłużyć żywotność zainstalowanych akumulatorów -  zwłaszcza gdy zapotrzebowanie na energię jest niskie - zmniejszając tym samym długoterminowe koszty konserwacji i przestoje.

Pomimo tych korzyści nadal istnieje szereg przeszkód w adopcji technologii energy harvesting. Najważniejszą przeszkodą jest to, że źródła energii otoczenia nie są stałe lub są niewystarczające do ciągłego zasilania systemu czujników, podczas gdy baterie, stanowiące podstawowe źródło zasilania bateryjnego, są wyjątkowo niezawodne przez cały okres ich użytkowania. Dodatkowo, projektanci mogą niechętnie implementować elementy gromadzące energię z otoczenia, zwłaszcza wtedy, gdy najważniejsza jest ich bezproblemowa integracja. Układ LTC3107 od Analog Devices ma na celu zmienić ich podejście,  umożliwiając bezproblemowe  włączenie funkcji zbierania energii do istniejących projektów i  przedłużenie żywotność baterii.

W przypadku LTC3107, układ zbierania energii  wymaga jedynie niewielkiej przestrzeni: miejsca które może pomieścić pakiet DFN 3mm×3mm i zaledwie kilka elementów zewnętrznych. Generując napięcie wyjściowe zgodne z napięciem baterii podstawowej, LTC3107 może być bezproblemowo zaadaptowany w układzie i zapewnić darmowe gromadzenia energii cieplnej w nowo tworzonych i istniejących projektach zasilanych bateryjnie.

LTC3107, zaimplementowany przy niewielkim źródle energii cieplnej, może wydłużyć żywotność baterii w niektórych przypadkach nawet dwukrotnie, zmniejszając w ten sposób cykliczne koszty konserwacji związane z wymianą baterii. LTC3107 został zaprojektowany w celu wsparcia pracy akumulatora lub nawet całkowicie samodzielnego zasilania układu, w zależności od warunków obciążenia i dostępnej energii.

Wyjście cyfrowe BAT_OFF wskazuje, czy akumulator jest używany do zasilania w danym momencie. Pozwala to systemowi monitorować efektywność pracy komponentu zbierającego energię i cykl pracy akumulatora w celu raportowania potrzeby konserwacji. BAT_OFF jest wewnętrznie podpięty VOUT.

Rysunek 1 przedstawia typowe zastosowanie czujnika bezprzewodowego. Ten system jest w całości zasilany przez litową baterię pastylkową CR3032 3,0 V o pojemności 500 mAh. Jeśli średnie zapotrzebowanie na moc systemu wynosi 250 µW, bateria wytrzyma około ośmiu miesięcy pracy ciągłej.

© Analog Devices

Rysunek 2 przedstawia ten sam system, wykorzystujący tę samą baterię, z dodatkiem harvestera energii termicznej, opartego o układ LTC3107, wydłużającą żywotność baterii.

© Analog Devices

Rysunek 3 przedstawia przewidywane wydłużenie żywotności baterii dzięki dodatkowemu gromadzeniu energii cieplnej, przy użyciu małego (15mm × 15mm) generatora termoelektrycznego (TEG) i radiatora 24 mm², zakładając temperaturę otoczenia 23°C.

W sytuacjach, gdy zebrana moc cieplna jest większa niż średnia moc wymagana przez obwód, akumulator nigdy nie jest używany do jego zasilania (z akumulatora pobierane jest tylko 80nA prądu) co powoduje, że żywotność typowej baterii zwiększa się do poziomu od pięciu do dziesięciu lat.

W opisanych warunkach bateria jest używana tylko jako napięcie odniesienia dla LTC3107, aby zapewnić docelową regulację napięcia wyjściowego. Należy zauważyć, że LTC3107 zapobiega przepływowi prądu ładowania do akumulatora w każdych warunkach pracy.

Na przykład w przypadku systemu przedstawionego na Rysunku 2, z TEG podłączonym do źródła ciepła, którym może być ciepła rura lub jakakolwiek inna część maszyny, cieplejsza o nie mniej niż 12°C powyżej temperatury otoczenia, LTC3107 może zasilać układ mocą 250 µW.

Krzywe na Rysunku 4 pokazują napięcie akumulatora i napięcie wyjściowe LTC3107. Jak pokazano, napięcie wyjściowe jest nastawione na poziomie o około 30 mV poniżej napięcia rozładowanego akumulatora - stanowiąc płynne i niewidoczne przejście dla obciążenia systemu - zapewniając napięcie wyjściowe, dla którego system jest zaprojektowany. W tych warunkach napięcie wyjścia BAT_OFF pozostaje wysokie, wskazując, że akumulator nie jest używany do zasilania obciążenia. (Należy zauważyć, że na rysunkach obciążenie rezystancyjne sondy oscyloskopu obniżyło wysokie napięcie BAT_OFF poniżej V_OUT z powodu rezystora rozdzielającego, utworzonego przez sondę i rezystor podciągający wewnątrz LTC3107.)

Jeśli zapotrzebowanie układu na energię przekracza możliwości harvestera, włącza się akumulator, zapewniając utrzymanie napięcia wyjściowego i zapewnienia niezbędnej mocy wyjściowej wymaganej przez obwód. W takich przypadkach harvester dostarcza możliwie największej dawki prądu, minimalizując prąd pobierany z akumulatora i maksymalizując jego żywotność. Sygnał BAT_OFF pozostaje niski, mimo że część prądu jest dostarczana przez harvester. Krzywe obrazujące ten stan pokazano na Rysunku 5. Należy zauważyć, że w tych warunkach V_OUT jest regulowany przez LTC3107 do około 220 mV poniżej rzeczywistego napięcia akumulatora.

Jeśli pobór prądu jest dynamiczny, przechodząc od niskich do wysokich wartości, wówczas sygnał BAT_OFF może oscylować, wskazując, kiedy harvester jest w stanie samodzielnie zasilić obciążenie, a kiedy potrzebny jest prąd z akumulatora (ilustrują to krzywe na Rysunku 6).

Aby jeszcze bardziej wydłużyć żywotność baterii, w warunkach niewielkiego poboru energii przez zasilany układ, LTC3107 może przechowywać nadmiar zebranej energii w kondensatorze o dużej wartości na pinie V_STORE, używając go w w okresach dużego poboru. Aby ułatwić korzystanie z superkondensatorów, które zwykle mają maksymalne napięcie znamionowe 5V, napięcie na V_STORE jest ograniczone wewnętrznie do maksymalnie 4,48 V. Funkcja magazynowania energii zmniejsza lub eliminuje zużycie baterii w okresach zwiększonego obciążenia, automatycznie wykorzystując zgromadzoną energię do utrzymania V_OUT przed skorzystaniem z zasilania z baterii (ilustrują to krzywe Rysunku 7). Można na nim zauważyć, że napięcie V_STORE, po naładowaniu w okresie niewielkiego poboru, spada w okresie zwiększonego obciążenia, dostarczając energię do układu. Widać też, że V_OUT nie spada, a odczyt BAT_OFF pozostaje wysoki, wskazując, że bateria nie była używana do podtrzymania napięcia wyjściowego, nawet podczas przejściowej zwyżki poboru.

© Analog Devices

W sytuacjach, gdy nie jest dostępna moc zebrana z otoczenia, a energia zmagazynowana również jest już wyczerpana, moc wyjściowa jest w całości dostarczana przez akumulator, tak jak obywałoby się to  bez harvestera, a V_OUT jest nastawiony na poziomie 220mV poniżej napięcia akumulatora. W tym przypadku obwód harvestera pozostaje bezczynny, dodając do akumulatora tylko 6 µA natężenia. Wykresy pracy harvestera w tym scenariuszu byłyby takie same jak na Rysunku 5. Aby zabezpieczyć akumulator przed zwarciami na V_OUT, prąd z V_BATT do V_OUT jest ograniczony do minimum 30 mA i maksimum 100 mA. Dlatego podczas zasilania z akumulatora, można obsługiwać obciążenie w stanie ustalonym o wartości nie mniejszej niż 30 mA. W razie potrzeby większe obciążenia przejściowe mogą być obsługiwane przez krótkie okresy za pomocą kondensatora odłączającego na V_OUT.

Stały prąd wyjściowy wytwarzany przez harvester zależy od kilku czynników, ale przede wszystkim jest definiowany przez różnicę temperatur wokół TEG. Należy pamiętać, że jest to nie tylko funkcja temperatury powierzchni, na której zamontowany jest TEG i temperatury otoczenia, ale także funkcja oporu cieplnego radiatora zastosowanego po chłodnej stronie TEG. Zebrany prąd wyjściowy może wahać się od kilku mikroamperów do kilku miliamperów w stanie ustalonym. Prąd, który może być dostarczony do V_OUT z V_STORE jest ograniczony przez napięcie różnicowe między dwoma pinami i rezystancję ścieżki wewnętrznej poprzez obwody sterujące LTC3107, typowo obsługujące 120Ω. Dlatego prąd V_STORE jest zwykle również ograniczony do kilku miliamperów i nie jest przeznaczony do obsługi dużych obciążeń – są one raczej obsługiwane przez kondensator odłączający V_OUT.

Oprócz funkcji BAT_OFF, LTC3107 zapewnia napięcie wyjściowe regulowane do 2,2 V przez wewnętrzny regulator obniżający (LDO), który może być używany do zasilania na poziomie 10 mA.

LDO 2,2V może być zasilane zarówno z harvestera jak i akumulatora.

Podsumowanie

LTC3107 jest zaprojektowany do pracy z napięciami baterii w zakresie od 2 V do 4 V, co ułatwia implementację funkcji pozyskiwania energii cieplnej do szerokiej gamy nowych i istniejących aplikacji zasilanych z baterii. Obsługiwany zakres napięć obejmuje większość popularnych baterii o długiej żywotności, używanych w aplikacjach o niższej mocy, takich jak litowe baterie pastylkowe 3 V i baterie litowo-chlorkowo-tionylowe 3,6 V. LTC3107 zapewnia to, co najlepsze z obu światów - niezawodność zasilania bateryjnego i oszczędność kosztów wymiany baterii poprzez pozyskiwanie energii cieplnej przy minimalnym wysiłku projektowym.