AEM

Интегральные системы питания для работы с харвестерами энергии

Интерес к источникам альтернативной энергии постоянно возрастает. В последнее время драйвером роста в этом сегменте стали автономные датчики и малопотребляющие IoT-устройства. Если раньше на рынке были востребованы преимущественно солнечные батареи и ветрогенераторы из-за их относительно высокой выходной мощности, то теперь пользователи все чаще проявляют интерес к маломощным источникам: термогенераторам, харвестерам энергии вибраций, харвестерам энергии ВЧ-излучений и т.д. Одной из проблем при использовании таких источников становится сложность построения системы питания. Впрочем, на рынке стали появляться законченные интегральные системы, объединяющие зарядное устройство, несколько преобразователей напряжения и систему коммутации. Примером такого решения являются микросхемы семейства AEM от компании e-peas
1006
В избранное

В настоящий момент альтернативная энергетика объединяет не только сверхмощные ветряные фермы или солнечные электростанции, но и множество маломощных генераторов (харвестеров). Толчком к развитию подобных генераторов стало появление малопотребляющих автономных датчиков и IoT-устройств.

Сейчас у разработчиков есть богатый выбор различных харвестеров энергии: фотоячейки, термогенераторы, харвестеры энергии вибраций, харвестеры энергии ВЧ-излучений. Их общим недостатком становится крайняя неравномерность и низкий уровень выходной мощности. Например, пока на улице солнечно, фотоячейка обеспечивает более-менее значительный ток, но стоит появиться тучам и мощность сразу же падает. По этой причине долгое время интерес к таким харвестерам был не очень высоким. Однако все изменяется благодаря тому, что уровень потребления современной электроники стремительно уменьшается.

Среднее потребление новейших микроконтроллеров находится в микроамперном диапазоне. Например, представители линейки STM8L101 от ST в режиме ожидания потребляют всего 300 нА, а в активном режиме их удельное потребление составляет 150 мкА/МГц. Теперь им хватает даже той небольшой мощности, которую генерируют харвестеры энергии.

Вместе с тем, работа харвестера энергии имеет ряд особенностей (рис. 1). Во-первых, как уже было сказано выше, поток мощности от альтернативных источников энергии оказывается крайне неравномерным, из-за чего система питания автономного устройства, как правило, требует накопителя энергии, например, суперконденсатора или аккумулятора. Если речь идет об аккумуляторе, то разработчик должен позаботиться о зарядном устройстве.

Типовая система питания с харвестером энергии

Рис. 1. Типовая система питания с харвестером энергии

Во-вторых, выходной сигнал от харвестеров обычно очень мал. Поэтому для получения адекватного выходного напряжения не обойтись без повышающего преобразователя.

В-третьих, выход системы питания должен быть стабильным. Недопустимы не только провалы, но и скачки напряжения. Для решения этой проблемы потребуются LDO-стабилизаторы с минимальным собственным падением.

В-четвертых, очень часто для снижения потребления в современных устройствах используют несколько напряжений питания. Например, для питания портов ввода-вывода микроконтроллера или радиопередатчика используется напряжение 3,3 В, а для питания процессорного ядра 1,8 В. Таким образом, система может нуждаться в нескольких выходных стабилизаторах.

В-пятых, согласование всех преобразователей, входящих в систему питания, может потребовать нескольких дополнительных силовых ключей.

Еще одним важным элементом системы питания является контроллер точки максимальной мощности (MPPT). Наличие MPPT является обязательным условием достижения высокой эффективности.

Таким образом, система питания с харвестером энергии оказывается достаточно сложной, габаритной и трудоемкой при монтаже. Решением проблемы могут стать специализированные микросхемы, объединяющие все необходимые элементы и блоки в одном корпусе. Пока что ведущие производители отрасли не торопятся войти в эту нишу и у небольших малоизвестных компаний и их продукции появляется шанс. В качестве примера можно привести семейство микросхем AEM от e-peas.

В настоящий момент компания e-peas предлагает пять интегральных систем питания:

  • AEM10940 и AEM10941 – для работы с фотоячейками;
  • AEM20940 – для работы с термогенераторами;
  • AEM40940 – для работы с харвестерами ВЧ-излучения
  • AEM30940 – для работы с харвестерами вибраций и ВЧ- излучения.

Рассмотреть все эти микросхемы подробно в рамках одной статьи достаточно сложно, поэтому в статье проводится обзор AEM10940 и кратко говорится о других представителях семейства.

AEM10940 – интегральная система питания, созданная для работы с фотоячейками (рис. 2). Микросхема использует мощность, генерируемую солнечной батареей, для питания нагрузки. Кроме того, AEM10940 позволяет накапливать излишки энергии в аккумуляторе (суперконденсаторе или конденсаторе). AEM10940 имеет два выхода: выход 1,8 В с током до 10 мА и выход 2,2…4,2 В с током до 80 мА.

AEM10940 от e-peas преобразует энергию, получаемую от солнечной батареи

Рис. 2. AEM10940 от e-peas преобразует энергию, получаемую от солнечной батареи

AEM10940 объединяет несколько преобразователей мощности: повышающий импульсный преобразователь, зарядное устройство для аккумулятора, MPPT-контроллер, понижающий импульсный преобразователь, низковольтный 1,8 В стабилизатор, высоковольтный стабилизатор с подстраиваемым напряжением 2,2…4,2 В (рис. 3).

AEM10940 объединяет несколько преобразователей мощности

Рис. 3. AEM10940 объединяет несколько преобразователей мощности

Отличительной особенностью AEM10940 является система холодного запуска (Cold start) (рис. 4). По заявлению производителя диапазон входных напряжений для встроенного повышающего преобразователя составляет 0,1…2,5 В при заряженном аккумуляторе (входной ток до 25 мА). Если же аккумулятор разряжен, то микросхема AEM10940 способна начать работу даже при входном напряжении всего 380 мВ и входной мощности 11 мкВт. На рис. 4 представлена последовательность включения AEM10940 при появлении входного сигнала SOURCE на входе SRC (желтая осциллограмма).

AEM10940 имеет функцию холодного запуска с минимальным уровнем потребления

Рис. 4. AEM10940 имеет функцию холодного запуска с минимальным уровнем потребления 

Накопление излишков энергии может производиться с помощью суперконденсатора, аккумулятора или обычного конденсатора. Пороговые напряжения заряда и разряда задаются с помощью внешних резисторов. Также с помощью резисторов задается выходное напряжение высоковольтного стабилизатора и напряжение включения/ выключения стабилизатора 1,8 В. Таким образом, разработчик сам может определить момент отключения AEM10940. Порядок отключения AEM10940 при просадке аккумулятора показан на рис. 5.

Диаграмма выключения AEM10940 при отключении источника энергии

Рис. 5. Диаграмма выключения AEM10940 при отключении источника энергии

Разумеется, при работе с маломощными харвестерами энергии важным показателем системы питания становится эффективность. В документации на AEM10940 представлена достаточно подробная информация. При этом отдельно приведены диаграммы для повышающего преобразователя (например, рис. 6) и для понижающей части схемы (понижающий импульсный преобразователь и стабилизатор напряжения) (например, рис. 7). КПД повышающего преобразователя оказывается достаточно стабильным и составляет 80-90% в диапазоне входных напряжений 0,5 В и выше (рис. 6). Из-за двух ступеней преобразования КПД понижающего сегмента (для выхода 1,8 В) оказывается существенно ниже – на уровне 70% в диапазоне выходных токов 0,050…10 мА.

КПД повышающего преобразователя в AEM10940

Рис. 6. КПД повышающего преобразователя в AEM10940

Общий КПД понижающего преобразователя и LDO в AEM10940

Рис. 7. Общий КПД понижающего преобразователя и LDO в AEM10940

AEM10940 выпускается в компактном корпусном исполнении QFN-24 размером 5 х 5 мм.

Типовая схема включения AEM10940 требует нескольких внешних пассивных компонентов, в том числе развязывающих конденсаторов, емкостей и индуктивностей фильтров, резисторов для задания уровней напряжения. Чтобы упростить жизнь разработчикам, e-peas предлагает использовать для расчета резисторов специальный калькулятор в формате excel-документа. Кроме того, для быстрого ознакомления с AEM10940 можно приобрести отладочную плату (рис. 8).

Внешний вид отладочной платы AEM10940_20A

Рис. 8. Внешний вид отладочной платы AEM10940_20A

AEM10941 – еще одна интегральная система питания для работы с солнечными батареями. По сравнению с AEM10940 у модели AEM10941 появилась возможность использования опциональной дежурной батарейки (рис. 9). Кроме того, встроенный низковольтный стабилизатор также получил возможность изменения напряжения 1,2…1,8 В.

Схема включения AEM10941

Рис. 9. Схема включения AEM10941

У AEM10941 есть еще несколько важных преимуществ:

  • Диапазон входных напряжений расширен до 0,05…5 В;
  • Максимальный входной ток увеличен до 110 мА;
  • Максимальный выходной ток увеличен до 20 мА (низковольтный выход);
  • Входное напряжение холодного запуска (при полном разряде аккумулятора) не изменилось и составляет 0,38 В, однако требуемая мощность была уменьшена до 3 мкВт.

Для быстрого ознакомления и внедрения AEM10941 пользователям предлагается мини-модуль 2BAEM10941C0010, который кроме самой микросхемы питания содержит и вспомогательные пассивные элементы (рис. 10).

Внешний вид отладочной платы 2BAEM10941C0010

Рис. 10. Внешний вид отладочной платы 2BAEM10941C0010

AEM20940 – интегральная система питания для работы с термогенераторами. Данная микросхема по своим характеристикам похожа на микросхему AEM10941– те же функциональные блоки и те же значения напряжений и токов. Однако AEM20940 имеет важную особенность – кроме встроенного блока холодного запуска пользователь может подключать внешнюю схему управления. При работе со встроенным блоком холодного запуска повышающий преобразователь стартует при входном напряжении 380 мВ и мощности 3 мкВт. При работе с внешней системой запуска минимальное входное напряжение уменьшается до 100 мВт, хотя порог собственного потребления возрастает до 80 мкВт.

Схема включения AEM20940

Рис. 11. Схема включения AEM20940

Для ознакомления с AEM20940 e-peas предлагает отладочную плату 2AAEM20940C0010 (рис. 12).

Внешний вид отладочной платы 2AAEM20940C0010

Рис. 12. Внешний вид отладочной платы 2AAEM20940C0010

AEM40940 – интегральная система питания для работы с харвестерами энергии ВЧ-излучений (рис. 13). Данная микросхема позволяет работать с различными диапазонами частот, в том числе с 868 МГц, 915 МГц, 2,45 МГц. Выбор диапазона определяется антенной и цепями согласования. Максимальная входная мощность для AEM40940 составляет 10 дБм, при этом холодный запуск возможен при -19,5 дБм. По остальным параметрам эта микросхема аналогична AEM10941.

Схема включения AEM40940

Рис. 13. Схема включения AEM40940

Для ознакомления с AEM40940 e-peas предлагает отладочную плату 2AAEM30940C0010 (рис. 14).

Внешний вид отладочной платы 2AAEM30940C0010

Рис. 14. Внешний вид отладочной платы 2AAEM30940C0010

AEM30940 – универсальная система питания, позволяющая работать, как с харвестерами энергии вибраций, так и с харвестерами энергии ВЧ-излучений (рис. 15). По своим характеристикам AEM30940 аналогична AEM10941.

Схема включения AEM30940

Рис. 15. Схема включения AEM30940

Для ознакомления с AEM30940 e-peas предлагает две отладочных платы (рис. 16):

  • 2AAEM30940C0111 – для работы с харвестерами ВЧ-излучения;
  • 2AAEM30940C0010 – для работы с харвестерами энергии вибраций.

Внешний вид отладочных плат для AEM30940

Рис. 16. Внешний вид отладочных плат для AEM30940

Как было сказано выше, для задания пороговых значений заряда и разряда аккумулятора и выбора выходных напряжений стабилизаторов микросхемы семейства AEM требуют внешних резисторов. Для расчета их номиналов предлагается калькулятор в виде excel-файла (рис. 17). В этом файле также содержится информация, поясняющая тот или иной настраиваемый параметр. Скачать калькулятор можно с сайта e-peas.

Расчет резистивных цепочек для микросхем AEM10941, AEM20940, AEM30940 и AEM40940

Рис. 17. Расчет резистивных цепочек для микросхем AEM10941, AEM20940, AEM30940 и AEM40940

Идея интегральной системы питания является достаточно многообещающей. Такое решение экономит время разработки, сокращает площадь, занимаемую на печатной плате, снижает общую стоимость устройства. При этом разработчику остается только выбрать наиболее подходящий харвестер энергии.

В качестве заключения ниже приводится сводная таблица для микросхем семейства AEM от e-peas.

Таблица 1. Сравнение характеристик микросхем семейства AEM от e-peas

Наименование Тип харвестера Uвх   Запуск Pвх Pвых MPPT Корпус
AEM10940 Свет-электричество 0,1...2,5 В 380 мВ
(3 мкВт)
3мкВт...32,5 мВт 10мА при 1,8В              80мА при 2,2-4,2В есть QFN24 5x5мм
AEM10941 0,05…5 В 380 мВ
(3 мкВт)
3мкВт…400 мВт 20мА при 1,8В            80мА при 1,8-4,1В есть QFN28  5x5мм
AEM20940 Тепло-электричество 0,05…5 В 100 мВ 
(80 мкВт)
3мкВт…380 мВт 20мА при 1,2-1,8В      80мА при 1,8-,5-3,3В есть QFN28  5x5мм
AEM30940 Вибрация-электричество 0,05…5 В 380 мВ 
(3 мкВт)
3мкВт…400 мВт 20мА при 1,8В               80мА при 1,8-4,1В есть QFN28  5x5мм
AEM40940 ВЧ-излучение-электричество 0,05…2,5 В -19,5 дБм -19,5…10 дБм 20мА при 1,8В            80мА при 1,8-3,3В  есть QFN28  5x5мм
AEM30940 0,05…5 В -18,5 дБм -18,5…10 дБм 20мА при 1,8В            80мА при 1,8-4,1В есть QFN28  5x5мм

Характеристики микросхемы AEM10940_10A:

  • Тип: интегральная система питания;
  • Тип накопителя энергии: конденсатор, суперконденсатор, Li-ion-аккумулятор;
  • Диапазон входных напряжений: 0,1…2,5 В;
  • Встроенный LDO с фиксированным выходом: 1,8 В/ 10 мА;
  • Встроенный LDO с программируемым выходом: 2,2…4,4 В/ 80 мА;
  • Корпус: QFN 24-pin (5 x 5 мм).

О компании

e-peas бельгийская компания, специализирующаяся на разработке датчиков для IoT-приложений. Еще одной сферой деятельности компании являются специализированные интегральные системы питания для создания харвестеров энергии (света, тепла, вибрации и т. д.).

Производитель: e-peas semiconductors
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AEM10940_10A
AEM10940_10A
e-peas semiconductors
Арт.: 3202041 ИНФО PDF
Поиск
предложений
AEM10940 объединяет несколько преобразователей мощности: повышающий импульсный преобразователь, зарядное устройство для аккумулятора, MPPT-контроллер, понижающий импульсный преобразователь, низковольтный 1,8 В стабилизатор, высоковольтный стабилизатор с подстраиваемым напряжением 2,2…4,2 В
AEM10940_10A
-
Поиск
предложений
10AEM10941C0000
10AEM10941C0000
e-peas semiconductors
Арт.: 3202042 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Интегральная система питания для работы с солнечными батареями. Диапазон входных напряжений расширен до 0,05…5 В; макс. входной ток увеличен до 110 мА
10AEM10941C0000
-
Поиск
предложений
20AEM20940C0000
20AEM20940C0000
e-peas semiconductors
Арт.: 3202043 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Интегральная система питания для работы с термогенераторами. Кроме встроенного блока холодного запуска пользователь может подключать внешнюю схему управления.
20AEM20940C0000
-
Поиск
предложений
10AEM40940C0000
10AEM40940C0000
e-peas semiconductors
Арт.: 3202044 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Интегральная система питания для работы с харвестерами энергии ВЧ-излучений. Микросхема позволяет работать с различными диапазонами частот, в том числе с 868 МГц, 915 МГц, 2,45 МГц.
10AEM40940C0000
-
Поиск
предложений
10AEM30940C0000
10AEM30940C0000
e-peas semiconductors
Арт.: 3202045 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Универсальная система питания, позволяющая работать, как с харвестерами энергии вибраций, так и с харвестерами энергии ВЧ-излучений. По своим характеристикам AEM30940 аналогична AEM10941.
10AEM30940C0000
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()