Geringe Verlustleistung ist der Schlüssel für IoT-Sensoren

Bild 1: Der LTC3331 wandelt Energie aus unterschiedlichen Quellen und arbeitet mit einer wiederaufladbaren Batterie. Linear

Das rasante Wachstum von drahtlosen Sensoren fürs Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) hat die Nachfrage nach kleinen effizienten Leistungswandlern erhöht, die für mobile Geräte mit sehr geringem Leistungsbedarf maßgeschneidert sind.

Eines der jüngsten aufkommenden IoT-Marktsegmente ist aus Perspektive der Energieernte besonders interessant, und zwar die Kategorie der am Körper tragbaren Elektronik (wearable electronics), sowohl für Menschen als auch für Tiere. Beispiele dafür sind Ultraschall-Behandlungspflaster oder die elektronische Satteloptimierung für Pferde, aber auch Halsbänder für Tiere, die sie identifizieren, diagnostizieren oder ihren Weg verfolgen.

Unabhängig von der Endanwendung benötigen die meisten dieser Geräte eine Batterie als Hauptleistungsquelle, selbst wenn verfügbare Energiequellen in der Umgebung ihre Betriebszeit verlängern.

Strom für Wearables aus Umgebungsenergie

Für Anwendungen am Menschen könnte es bald tragbare Gewebe geben, die Elektrizität aus unterschiedlichen Formen von Umgebungsenergie generieren und damit Wearables versorgen – eine kleine Batterie überbrückt Versorgungslücken. Solche frei verfügbaren Energiequellen sind Körperwärme, photovoltaische Quellen wie Raumbeleuchtungen oder herkömmliches Tageslicht, aber auch kinetische Energie aus regelmäßigen Körperbewegungen. Eine passende Bezeichnung dafür wäre Energiebekleidung. An vorderster Front entsprechender Forschungen agiert das von der Europäischen Union geförderte Projekt Dephotex und hat Methoden entwickelt, um photovoltaisches Material so leicht und flexibel zu machen, dass es sich am Körper tragen lässt. Wie eine Solarzelle wandelt dieses Material Photonen in elektrische Energie um, versorgt damit elektronische Wearables und entlastet ihre Primärbatterie oder lädt den Pufferakku.

Am unteren Ende des Leistungsspektrums gibt es für die Nanopower-Wandlung besondere Anforderungen an energieerntende Systeme wie sie üblicherweise in IoT-Equipment vorhanden sind (beispielsweise Google Glasses). Hier braucht es Leistungswandlungs-ICs, die nur wenige Mikrowatt beziehungsweise Nanoampere effizient verarbeiten.

Moderne und handelsübliche Energieernte-Techniken (Energy Harvesting, EH) beziehen ihre Energie aus Vibrationen oder portablen Solarzellen und generieren unter typischen Betriebsbedingungen Leistungspegel im Bereich weniger Milliwatt.

Obwohl diese Leistungspegel gering erscheinen, ist der Einsatz von energieerntenden Elementen über mehrere Jahre hinweg durchaus wirtschaftlich. Bezüglich der Energiebereitstellung und der Kosten pro Energieeinheit sind sie vergleichbar mit langlebigen Primärbatterien, aber voraussichtlich auch ökologisch nachhaltiger. Darüber hinaus können sich EH-Systeme üblicherweise nach einer Vollentladung wieder selbst aufladen, wogegen von einer Primärbatterie versorgte Systeme dann bis zum nächsten Batteriewechsel ausfallen.

Batterielebensdauer verlängern

Weil die geerntete Energie von der zeitlichen Verfügbarkeit der Quelle sowie deren Leistungsfähigkeit abhängig ist, dient als primärer Messwert für den Vergleich von Energiequellen für das EH die Leistungsdichte und nicht die Energiedichte. Energy Harvesting ist generell Gegenstand von kleinen, variablen und unvorhersagbaren Mengen an verfügbarer Leistung, sodass oft eine hybride Struktur zum Einsatz kommt, die das energieerntende Element mit einer sekundären Leistungsquelle zur Pufferung verbindet. Diese sekundäre Quelle kann eine wiederaufladbare Batterie oder ein Speicherkondensator (Supercap) sein.

Trotz des gelegentlichen Leistungsdefizits ist das EH-Element wegen der Möglichkeit zur unbegrenzten Energielieferung die Hauptstromquelle eines elektronischen EH-Systems. Das sekundäre Leistungsreservoir, entweder eine Batterie oder ein Kondensator, weist zwar eine höhere Ausgangsleistung auf, kann aber eher wenig Energie speichern und liefert nur in Versorgungslücken Strom an die nachgeschalteten Verbraucher, wenn keine Energie aus der Umgebung verfügbar ist.

Linear Technology biete eine ganze Reihe von Leistungswandler-ICs an, deren Funktionen und Leistungscharakteristika es erlauben, die geringen Mengen geernteter Leistung in IoT-Anwendungen zu handhaben.

Energieernte-Regler mit Pufferbatterie

Bild 2: Gestützt von einer Pufferbatterie wandelt der Energiemanagement-Baustein LCT3331 geerntete Elektrizität aus Umgebungsenergie und versorgt damit stabilisiert und unterbrechungsfrei nachgeschaltete Verbraucher. Linear

Der LTC3331 (Bild 2) ist ein Energiemanagement-Baustein für Energieernte-Anwendungen, der am Ausgang mit einstellbarer Spannung zwischen 1,8 bis 5 V kontinuierlich bis zu 50 mA liefert und damit die Batterie entlastet, solange zu erntende Energie verfügbar ist. In diesem Betriebsfall bezieht der Baustein den Eigenbedarf aus der geernteten Energie. Nur im Falle fehlender Umgebungsenergie und ohne Belastung durch einen Verbraucher nimmt der Baustein einen Ruhestrom von 950 nA aus der Pufferbatterie auf.

Der LTC3331 wandelt Energie aus unterschiedlichen Eingangsquellen und versorgt damit unterbrechungsfrei einen einzelnen Ausgang für Energieernte-Applikationen wie IoT-Geräte, elektronische Wearables und drahtlose Sensorknoten (wireless sensor nodes, WSN).

Im ersten Strompfad für EH-Quellen enthält der Baustein einen hocheffizienten synchronen Abwärtswandler für Eingangsspannungen von 3 bis 19 V. Mit einem eingangsseitig vorgeschalteten  Brückengleichrichter verarbeitet der Wandler sowohl AC- als auch DC-Eingangsquellen wie Piezo-Elemente (AC), Solarzellen (DC) oder induktive Wandler (AC). Ein 10-mA-Shunt erlaubt das einfache Laden der Pufferbatterie mit geernteter Energie, wobei eine Trennfunktion vor Tiefentladung schützt.

Bild 3: Ohne verfügbare Umgebungsenergie versorgt die Backup-Batterie (I_BB_in) den Verbraucher. Benötigt dieser keinen Strom wird vorhandene Energie geerntet und in der Batterie gespeichert. Linear

Der zweite Strompfad enthält einen synchronen Ab-/Aufwärtswandler, der aus einer Primär- oder wiederaufladbaren Batterie mit maximal 4,8 V gespeist wird. Nur wenn keine Umgebungsenergie verfügbar ist, entnimmt der Wandler der Pufferbatterie Ladung und versorgt damit den Verbraucherausgang, unabhängig davon, ob die Eingangsspannung über, unter oder gleich der Ausgangsspannung ist.

Die Batterieladeschaltung des LTC3331 hat eine besonders wichtige Powermanagement-Funktion, die Entwickler nicht übersehen dürfen, wenn EH-Quellen nur Mikrowatts an Leistung liefern. Eine Priorisierungslogik erlaubt das Laden der Batterie nur dann, wenn der EH-Wandler genügend Leistung zur Verfügung hat. Ohne diese Funktion würde die EH-Quelle beim Zuschalten der Verbraucherlast an irgendeinem ungünstigen Betriebspunkt hängen bleiben und wäre nicht in der Lage, die beabsichtigte Applikation zu versorgen. Ist die EH-Quelle nicht ausreichend belastbar oder nicht verfügbar, schaltet der LTC3331 automatisch auf Versorgung aus der Batterie um. Für einen batteriebetriebenen WSN kann sich die Betriebsdauer von zehn Jahren mehr als verdoppeln, wenn eine geeignete EH-Energiequelle mindestens die Hälfte der Betriebszeit verfügbar ist.

Eine im Chip integrierte Balancer-Schaltung speichert Energie in einem Supercap zwischen und steigert damit die Ausgangsleistung.

Ab-/Aufwärtswandler für den Nanowattbereich

Bild 4: Typische Applikationsschaltung des Nanopower-Ab-/Aufwärtswandlers LTC3335. Linear

Da die geerntete Energie von am Körper getragenen Wearables sehr gering ist und in Strömen von wenigen Nano- bis Milliampere resultiert, muss jegliche DC/DC-Wandlung für einen optimalen Leistungstransfer hocheffizient erfolgen und darf selber nur Ströme in der Größenordnung einiger Nanoampere aufnehmen. Speziell dafür hat Linear Technology den Nanopower-Ab-/Aufwärtswandler LTC3335 mit integriertem Coulomb-Zähler entwickelt (Bild 4).

Der Wandler hat einen hohen Wirkungsgrad und geringen Ruhestrombedarf von nur 680 nA. Der integrierte Coulomb-Zähler überwacht die akkumulierte Batterieentladung in langlebigen batteriebetriebenen Applikationen. Dieser Zähler hat einen programmierbaren Skalenbereich von 32.768 zu 1 und speichert die Summe der entnommenen Batterieentladung in einem internen Register, welches sich per I²C-Interface auslesen lässt. Der Ab-/Aufwärtswandler arbeitet mit Eingangsspannungen ab 1,8 V und liefert bis zu 50 mA an einer in acht Stufen zwischen 1,8 und 5 V wählbaren Ausgangsspannung. Für unterschiedliche Batterietypen und -größen ist der Ladestrom zwischen 5 und 250 mA einstellbar.

Bild 5: Als H-Brücke arbeitet der Ab-/Aufwärtswandler LTC3335 bei allen Ein- und Ausgangsspannungsbedingungen. Linear

Der Ab-/Aufwärtswandler arbeitet als H-Brücke bei allen Batterie- und Ausgangsspannungsbedingungen, wenn er nicht im Schlafzustand ist (Bild 5).

Die Transistoren A und C schalten am Beginn jedes Burst-Zyklus ein und laden die 100-µH-Speicherinduktivität aus der Batterie auf. Der Spulenstrom steigt bis auf I_peak an und die Schalter öffnen. Unmittelbar anschließend schalten die Transistoren B und D durch und liefern Strom an den Verbraucher, bis der Spulenstrom wieder auf Null gesunken ist. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis V_out den Schwellwert für den Schlafzustand erreicht. Wenn sowohl I_peak als auch die Einschaltzeit t_AC(ON) der Schalter A und C bekannt sind, dann lassen sich die Batterieentladungs-Coulombs (schattierter Bereich in Bild 6) berechnen, indem die Anzahl der Zyklen mit der Ladung während AC(ON) multipliziert wird, laut folgender Formel:

• q _AC(ON)  =  (I_peak * t_AC(ON)) / 2

Bild 6: Timing-Diagramm des LTC3335 zur Bestimmung der Batterieentladung. Linear

Während des Betriebs misst der LTC3335 die AC(ON)-Zeit und den I_peak-Wert und bezieht beide Werte auf intern kalibrierte Referenzwerte, um Fehler aufgrund von Stromversorgungs-, Temperatur- und Prozessschwankungen zu kompensieren. Daraus resultiert mit ±5% eine recht genaue Ermittlung der bei jedem Schaltzyklus transferierten Batterieladung.

Weiterentwicklung

Voraussichtlich wird es künftig zahlreiche WSNs, elektronische Wearables und andere IoT-Produkte geben, die allesamt eine Nanopower-DC-Wandlung und Coulomb-Zählung benötigen, um eine optimale Leistung und Betriebsdauer sicherzustellen. Es gibt jedoch erst seit kurzem solche Produkte auf dem Markt. Und so wird auch Linear Technology künftig viele weitere Wandlerbausteine entwickeln und Entwicklern von Nanopower-Systemen zu Verfügung stellen.

(jwa)