Energy Harvesting mit kompakten Solar-Panels und effizientem DC/DC-Wandler

Energy Harvesting ist eine attraktive Alternative zur Kabelversorgung oder zu Batterien: Natürliche Energiequellen stehen meist unerschöpflich zur Verfügung. Energieernte kann auch als sekundäre Energiequelle die Laufzeit von Batterien verlängern und Wartungskosten senken. Die Technologie eignet sich für viele Applikationen, wenn etwa in Wireless-Sensor-Netzwerken (WSNs) drahtlose Funkknoten an abgelegen Orten positioniert sind. Zu den traditionellen Energieernte-Quellen gehören:

• Mechanische Energie aus Quellen wie Vibration, mechanische Bewegung und Ausdehnung.
• Thermische Energie: Überschüssige Energie als Nebenprodukt von Öfen, Heizungen, Motoren und anderen Reibungsquellen.
• Lichtenergie, eingefangen vom Sonnenlicht oder der Raumbeleuchtung mittels Fotodioden oder Solarzellen.
• Elektromagnetische Energie aus Induktoren, Spulen und Transformatoren.
• Umgebungsenergie aus der natürlichen Umgebung wie Wind, Stromfluss, Meeresströmung, galvanischen Elementen und von der Sonne.
• Menschlicher Körper: bietet eine Kombination von mechanischer und thermischer Energie, erzeugt zum Beispiel durch Bewegung.
• Andere Energien aus chemischen und biologischen Quellen.

Ein typisches Energieerntesystem erfordert neben der Energiequelle wie Vibration, Wärme oder Licht noch einige Schlüsselkomponenten, zum Beispiel:

• Energiewandler (Transducer, zum Beispiel ein Piezoelement oder Solarpanel) der Umgebungsenergie in Strom wandelt.
• Energieernte-IC, der die Energie aufnimmt, speichert und verwaltet.
• Sensoren, Mikrocontroller und Transceiver um Daten zum Beispiel eines WSN auszulesen, aufzunehmen und zu senden.
• Optional zusätzliche Energiespeicher wie Dünnschicht- oder Primärzellenbatterien oder Supercaps.

Dabei muss der Energiewandler sehr effizient sein und einen niedrigen Ruhestrom aufweisen, damit das meiste der Energieernte für die Versorgung eines Sensornetzwerks zur Verfügung steht. Auch ist es wichtig zu verstehen, wie viel durchschnittliche Energie aus der Quelle verfügbar ist und wie viel Energie für die Versorgung der Geräte benötigt wird (entsprechend deren Duty Cycle).

ICs für die Energieernte

Linear Technology hat verschiedene Energieernte-Komponenten für die Verarbeitung, Speicherung und Nutzung der Energieernte im Programm. Der LTC3106 ist ein hochintegrierter Buck-Boost-DC/DC-Wandler für niedrigste Spannungen mit automatischem Power-Path-Management. Er ist optimiert für mehrere Quellen und für Low-Power-Systeme: Ist zum Beispiel die primäre Energiequelle nicht verfügbar, schaltet der LTC3106 nahtlos auf die Backupquelle. Er ist kompatibel mit Primärzellen und aufladbaren Batterien und kann die Ladung der Backup-Batterie aufrechterhalten, wenn überflüssige Energie vorhanden ist. Wird eine Lichtquelle verwendet, sichert eine optionale MPP-Steuerung (Maximum Power Point) eine optimale Energieübertragung zwischen Quelle und Last. Ohne Last zieht der LTC3106 nur 1,6 μA bei Generierung einer Ausgangsspannung bis zu 5 V aus jeder Eingangsquelle. Bild 1 zeigt dazu eine typische Schaltung.

Bild 1: Für die kontinuierliche Versorgung einer Last nutzt der LTC3106 die Energie eines Solarpanels oder einer Primärzelle. Linear Technology

Die Power-Path-Steuerungsarchitektur ermöglicht es, mit nur einem Induktor eine vom Anwender festgelegte geregelte Ausgangsspannung durch den nahtlosen Übergang aus zwei Eingängen zu generieren. Liegt am Buck-Boost-Regler eine Eingangsspannung (V_IN) an, liefert er an die Last bis zu 300 mA. Ohne Eingangsspannung wählt der Regler den V_STORE/V_CAP als Eingang und liefert bis zu 50 mA an die Last. Dient eine aufladbare Batterie als Backup, stellt der LTC3106 einen Pfad geringen Stromes bereit und lädt mit der überschüssigen Eingangsenergie die Backup-Batterie auf. Anwender können die Grenzen für Ladung/Entladung passend zu ihren Batterietypen wählen. Mit PRI lässt sich das Laden extern abschalten, wenn eine Primärzelle als Backup eingesetzt wird.

Der LTC3106 startet bei jeder Eingangsspannung, wobei V_IN Priorität hat. Der AUX-Ausgang lädt anfänglich bei abgeschalteter synchroner Gleichrichtung. Hat aber V_AUX die Schlussspannung erreicht, wird asynchron geladen bis V_OUT etwa 1,2 V beträgt. Der Wandler verlässt den asynchronen Modus zum Vorteil des effizienteren synchronen Start-up-Modes bis V_OUT geregelt ist und das Bauteil in den normalen Betrieb geht. Dabei ist es normal, dass die Ausgangsspannung ansteigt, wenn V_AUX lädt. Die Hauptausgangsspannung können Anwender auf einen der vier geregelten Werte 1,8 V, 2,2 V, 3,3 V oder 5 V programmieren.

Design-Beispiel aus der Praxis

In einem Funkknoten versorgt eine Batterie den µC. Typischerweise fragen drahtlose Systeme den Funkknoten in großen Abständen ab mit langen Low-Power-inaktiven Perioden mit gelegentlich hohen Strombursts im Falle einer Übertragung über den Knoten. Der Spitzenstrom kann bei gepulster Last viel größer sein als der nominale Strom, den die Batteriehersteller vorgeben, was die Kapazität auf einen Wert unter dem spezifizierten reduziert. Zusätzlich reduziert die Eingangsspannung der meisten MCUs (mindestens 2 V typisch) die nutzbare Batteriekapazität.

Bild 2: LTC3106 konfiguriert als Solarernter mit Primärbatterie-Backup für die Versorgung eines Funkknotens. Linear Technology

Die Schaltung in Bild 2 zeigt den LTC3106, konfiguriert als Solarernter mit einer AM-1816-Solarzelle (9,8 × 5,7 cm², wie eine Visitenkarte) zusammen mit einem CR2032-Primärbatterie-Backup für die gepulste Versorgung eines Funkknotens. Wenngleich ein Energieerntesystem keine Batterien benötigt, kann es aber dieses ergänzen und die Batterielaufzeit verlängern. Ist ausreichend Umgebungsenergie vorhanden, wird die Batterie nicht belastet und wird nur beansprucht, wenn die Umgebungsquelle die Last nicht versorgen kann. Das erhöht nicht nur die Batterielebensdauer, sondern verbessert die Zuverlässigkeit und reduziert die Wartungskosten.

Passend zur Solarzelle

Die Haupteingangsspannung des LTC3106 (V_IN) ist so ausgelegt, dass sie in einem breiten Bereich zu Solarzellen hoher Impedanz passt. Solarzellen werden nach ihrer Ausgangsleistung, dem eingesetzten Material (kristallines Si, amorphes Si, Verbundhalbleiter) und dem Applikationsgebiet (Indoor oder Outdoor) spezifiziert. Die Panasonic-Tochter Sanyo Electrics bietet mit der Amorton-Produktlinie eine Vielfalt an Solarzellen für verschiedene Lichtbedingungen und Leistungspegel sowie kundenspezifische Zellen an. An typischen Orten herrschen folgende Lichtbedingungen:

Bild 3: Gemessener I-V- und P-V-Verlauf der Solarzelle AM-1816 unter verschiedenen Lichtbedingungen. Linear Technology

• Besprechungsraum: 200 Lux
• Korridor: 200 Lux
• Schreibtisch: 400 bis 700 Lux
• Labor: 500 bis 1000 Lux
• Im Freien (bedeckt): 1000 bis 2000 Lux
• Im Freien (wolkenlos): >2000 Lux

Bild 3 zeigt den gemessenen I-V- und P-V-Verlauf der AM-1816 unter verschiedenen Lichtkonditionen. Die maximale Energie P_MAX der Zelle ändert sich mit dem Lichtpegel, die Spannung bei P_MAX aber nur gering. Die Schwellenspannung V_IN in diesem Applikationsbeispiel ist durch einen Widerstandsteiler am RUN-Pin auf die Spannung bei P_MAX eingestellt. Die UVLO-Eingangsschwelle V_IN(OV) wurde auf 4,2 V gelegt. Zusammen mit der internen Hysterese liegt V_IN(UV) dann bei 3,8 V, sodass die durchschnittliche Spannung V_IN von ~4 V sich am MPP der vom Hersteller angegeben I-V- und P-V-Daten für die AM-1816-Solarzelle befinden.

Bild 4: Das Lastprofil eines drahtlosen Sensors besteht aus kurzen aktiven Phasen und langen Pausen dazwischen. Für die Auslegung des Systems sind die einzelnen Regionen entscheidend. Linear Technology

Tabelle 1: Lastprofil und Energiebudget für die Schaltung nach Bild 2 mit dem Profil aus Bild 4. Linear Technology

Sporadisch funken

Das Energy-Harvesting-System versorgt in diesem Beispiel ein Low-Power-HF-Gerät. Bild 4 zeigt dessen Lastprofil und Tabelle 1 enthält die Betriebsbereiche, den Ausgang und die Leistungsverluste ebenso wie die Spitzenpegel für jeden dieser Parameter. Die durchschnittlichen Betriebsverluste des LTC3106 für diese Lastprofile betragen 37 µW. Durch den Spannungsteiler kommen nochmal 5 µW an Eingangsverluste dazu, was eine Gesamteingangsleistung von 207 µW erfordert. Die kalkulierte durchschnittliche Effizienz, einschließlich dem Widerstandsteiler ist η = 160 µW / 207 µW und somit 80 %. Die Solarzelle AM-1816 liefert bei 200 Lux etwa 400 µW. Mit der Wandlereffizienz von 80 % versorgen die 400 µW mit einigem Spielraum eine Gesamtlast von durchschnittlich 207 µW, und es wird so keine Leistung aus der Batterie gezogen.

Bei weniger Licht sinkt die verfügbare Eingangsleistung auf einen Wert, der nicht mehr die erforderliche Ausgangsspannung erfüllt. Der LTC3106 arbeitet dann im Hiccup-Modus, wenn V_IN über 4,2 V steigt und schaltet ihn ab, wenn V_IN unter 3,8 V fällt. Ohne anliegende V_IN wird die Energie aus V_STORE (Primärzelle) bezogen bis V_IN die 4,2-V-Schwelle wieder überschreitet. Steht wieder mehr Licht zur Verfügung, steigt V_IN auf die Leerlaufspannung der Erntequelle und die Last wird versorgt.

(lei)