Miniaturisierte Geräte, deren Strom aus einer Knopfzelle stammt, profitieren besonders von zusätzlichen Energiequellen wie dem Sonnenlicht. Schon heute nutzen einzelne Anwendungen Elektrizität aus Solarzellen. Ziel ist es dabei, die Lebensdauer der Batterie zu verlängern oder bei Bedarf ganz ohne Batterie auszukommen. Bei Entwicklungskosten und Bauteileaufwand bergen diese Lösungen allerdings eine Reihe von Herausforderungen. Schließlich gilt es, neue elektronische Schaltungen für die Kombination von Solarpanel und Batterie zu konfigurieren, damit die Sicherheitsfunktionen und die Spannungsversorgung des Mikrocontrollers und der übrigen elektronischen Bauelemente gewährleistet bleiben.
Innovative Methoden diese Funktionalität umzusetzen, werden dringend benötigt, um die Sonnenenergie besser zu nutzen und sie auf dem Markt vorantreiben zu können. Dafür müssen jedoch einige Voraussetzungen erfüllt sein: Unter anderem muss bei geringem Stromverbrauch ein präziser Spannungsvergleich erfolgen und es muss unter Beibehalten eines geringen Innenwiderstands effektiv zwischen Batterie und Solarpanel umgeschaltet werden können. Um den Designprozess kostengünstiger zu gestalten, ist es darüber hinaus wünschenswert, dass sich eine solche Kombi-Stromversorgung einfach in ein Design integrieren lässt, was letztendlich die Markteinführungszeit verkürzt.
Funktionen für die Sicherheit
Die völlig unabhängige Kontrolle zweier Energiequellen (wie Solarpanel und Batterie) unterstützt die Betriebssicherheit und benötigt weder Software noch zusätzliche Bauelemente, so dass auch die Systemkosten entsprechend sinken. Als Reaktion auf diesen Bedarf hat die zur Rohm Gruppe gehörende Firma Lapis Semiconductor eine Serie von ICs entwickelt, die eine Doppel-Stromversorgung der beschriebenen Art implementieren und laut Lapis mit allen Funktionen aufwarten, die für einen zuverlässigen Betrieb mit Solarenergie erforderlich sind.
Einen Mikrocontroller und seine Peripherie mit Batterie‑ und Solarstrom zu versorgen, lässt sich unter der Voraussetzung auf höchst effiziente Weise umsetzen, wenn es gelingt, die Stromentnahme aus der Batterie auf ein Minimum zu begrenzen. Dies verlängert die Lebensdauer der Batterie, verlangt aber nach einer Vielzahl von Überwachungsfunktionen, um den einwandfreien Betrieb des Systems sicherzustellen.
Eine kombinierte Stromversorgung mit Solar-Unterstützung lässt sich mit herkömmlichen Primärzellen ebenso realisieren wie mit wieder aufladbaren Batterien. In beiden Fällen muss der Zustand der Batterie und des Solarpanels fortlaufend überwacht werden, um die Verfügbarkeit der Solarenergie zu verifizieren. Wird eine konventionelle Primärbatterie eingesetzt, benötigt sie unbedingt Schutz vor Rückströmen aus dem Solarpanel. Ebenso wichtig ist es, die Ausgangsspannung, die für die externen Bauelemente bereitgestellt wird, zu überwachen und sie durch einen Spannungsregler zu stabilisieren. Das vermeidet, dass der Mikrocontroller auf eine unzulässige oder instabile Spannung trifft.
Verwendet das Gerät hingegen wiederaufladbare Batterien, muss deren Zustand ebenfalls fortlaufend überwacht werden, um den Ladevorgang rechtzeitig zu beenden, bevor eine Überladung erfolgt. Auch wenn eine zu geringe Spannung anliegt, muss die Stromversorgung unterbrochen werden, um ein versehentliches Ansteuern des Mikrocontrollers zu unterbinden. Um einen energieeffizienten Betrieb zu erreichen, sollte der Regler-IC so wenig Ruhestrom wie möglich aufnehmen.
Zuverlässige Kombi-Stromversorgung
Lapis Semiconductor hat die Controller der Familien ML9077 und ML9078 für kleine elektronische Geräte konzipiert, in denen Akkus geringer Kapazität den Mikrocontroller und seine Peripherie versorgen, während die Akkus wiederum durch ein Solarpanel aufgeladen werden. Alternativ kann die Versorgung über eine handelsübliche Batterie erfolgen, wobei bei Bedarf zwischen Primärbatterie und Solarpanel umgeschaltet wird. Durch den automatischen Betrieb wird sowohl Energie gespart als auch die nötige Sicherheit geboten. Das Konzept beruht auf zwei ICs: Der ML9077 kommt zum Einsatz, wenn man ein Solarpanel mit einer wiederaufladbaren Batterie kombiniert. Er widmet sich neben dem Umschalten zwischen den beiden Energiequellen auch der Laderegelung. Der Baustein überwacht die Stromversorgung des Mikrocontroller und seiner Peripherie-Schaltungen aus dem Akku und regelt die Spannung, um ein Überladen zu verhindern. Sinkt die Ausgangsspannung des Akkus unter den gewählten Grenzwert von 1,8 oder 1,1 V, wird die Versorgungsspannung für den externen Mikrocontroller abgeschaltet.
Erst wenn die Ausgangsspannung des Akkus wieder über den betreffenden Grenzwert steigt, beginnt der ML9077 erneut, den Mikrocontroller mit Strom zu versorgen. Auf diese Weise lässt sich ein versehentlicher Betrieb des Mikrocontrollers mit zu geringer Spannung verhindern. Dank des geringen Innenwiderstands wird die Versorgungsspannung am Ausgang (VDO) mit einem Spannungsabfall von 50 mV oder weniger (bei 20 mA Ausgangsstrom) bereitgestellt. Die Akkuregelschaltung vergleicht die Akkuspannung (VBAT) ununterbrochen mit der Ausgangsspannung des Solarpanels (VSC). Der Akku wird geladen, solange die VSC größer als die VBAT ist. Der Ladevorgang wird dagegen umgehend gestoppt, sobald die VSC kleiner oder gleich der VBAT ist. Der Überladungsschutz unterbricht die Stromzufuhr vom Solarpanel, wenn die Akkuspannung einen bestimmten Grenzwert erreicht. Der ML9077-Controller unterstützt Akkus mit Ladespannungen im Bereich von 3,2 bis 2,5 V. Dazu gehören Lithium-Mangan-Dioxid-Akkus (ML-Ladespannung von 3,1 V) oder Kobalt-Titan-Lithium-Akkus (CTL-Ladespannung von 2,6 V). Das Design des ML9077-Controllers basiert auf einem Prozess mit extrem niedriger Verlustleistung und geringen Leckströmen, wodurch sich die Stromaufnahme des Bausteins selbst auf nur 80 nA reduziert.
Eine typische diskrete Lösung ohne den ML9077 würde acht Bauelemente für die Laderegelung, den Überladungsschutz und die Unterspannungs-Erkennung benötigen. Unter anderem handelt es sich dabei um Komparatoren zum Auswerten der Referenzspannung und Schalter. Die soeben beschriebene Variante mit dem ML9077 begnügt sich dagegen mit einem einzigen Baustein. Dies verringert nicht nur die benötigte Leiterplattenfläche, sondern auch die Stromaufnahme lässt sich von 3 auf 0,08 µA reduzieren – bei gleichem Funktionsumfang. Durch das Überwachen des vom Solarpanel stammenden Stroms ermöglicht der ML9077 außerdem grobe Rückschlüsse darauf, welcher Helligkeit die Solarzellen ausgesetzt sind.
Wird ein Solarpanel zusammen mit einer Primärbatterie verwendet, wird der ML9078 eingesetzt; er vergleicht kontinuierlich die Ausgangsspannungen des Solarpanels und der Batterie. Automatisch wählt der IC die Energiequelle mit der höheren Spannung, um den Mikrocontroller und seine Peripherie-Elektronik zu versorgen. Mit der ebenfalls vorhandenen Echtzeit-Überwachung lässt sich stets erkennen, ob die Versorgung aus dem Solarpanel oder der Primärbatterie erfolgt. Da die Spannungen des Solarpanels und der Primärbatterie fortlaufend überwacht werden, kann die Verbindung zur Primärbatterie automatisch unterbrochen werden, sobald die Solarpanel-Spannung größer wird als die Batteriespannung. Auf diese Weise lässt sich vermeiden, dass aus dem Solarpanel Strom in die Primärbatterie fließt. Schäden an der Batterie durch solche Rückströme lassen sich so sicher ausschließen. Ebenso wird verhindert, dass zu hohe Spannungen an den Mikrocontroller angelegt werden, was leicht zur Beschädigung des Controllers und anderer Bauteile führen könnte.
Je nach der Art der Applikation kann die Ausgangsspannung (VDO) durch einen zusätzlichen internen Spannungsregler eingestellt werden. Da die vom Solarpanel kommende Spannung von den verwendeten Komponenten und der Spezifikationen des Panels abhängt, muss der Entwickler fallweise entscheiden, ob er diesen zusätzlichen Regler verwendet oder nicht. Ein Panel aus vier amorphen Silizium-Solarzellen liefert zum Beispiel je nach Zellenfläche und Lichtstärke etwa 2 bis 3,2 V, und eine 3-V-Lithium-Knopfzelle stellt je nach ihrem Entladezustand ebenfalls eine Spannung zwischen 2 und 3,2 V bereit. In diesem Fall kann der interne Regler deaktiviert werden, da er nicht benötigt wird, um die VSC herabzusetzen. Das Solarpanel liefert so lange die VDO, wie die VSC größer ist als die VBAT.
Der Spannungsregler kann Spannungen zwischen 1,65 und 3,3 V (beim ML9078-001) beziehungsweise zwischen 1,5 und 3 V (beim ML9078-002) bereitstellen. Da der ML9078-03 über keinen internen Spannungsregler verfügt, ist die VDO hier stets gleich groß wie die VBAT oder die VSC. Im Interesse eines möglichst effizienten Betriebs beträgt die Ruhestromaufnahme bei 25 °C, 80 nA oder weniger (ML9078-001/ML9078-002) beziehungsweise 160 nA oder weniger (ML9078-003). Mit dem Einsatz des ML9078 lässt sich der Bauteileaufwand einer diskreten Lösung von ursprünglich vier auf ein Bauelement reduzieren. Weder Schalter noch Inverter oder Komparatoren werden benötigt. Die Stromaufnahme kann unter Beibehaltung der Funktionalität von einem auf 0,08 µA abgesenkt werden. Das Design wird einfacher, die Kosten sinken und die Entwicklungszeit verkürzt sich. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Geräte mit einem Eco-Symbol zu kennzeichnen, das die jeweils genutzte Energiequelle anzeigt. Der sehr geringe Eigenverbrauch des ICs und die vorwiegende Nutzung der Solarenergie verlängern die Lebensdauer der Primärbatterie.
Anwendungen und Design
Die kombinierte Stromversorgung aus Solarpanel und Batterie, über ICs umgesetzt, eignet sich für alle elektronischen Geräte mit geringer Leistung wie Armbanduhren, eBook-Reader, Uhren, Taschenrechner, Fahrradcomputer, Fernbedienungen, Lampen, Kleinradios, portable Spielzeuge oder Akkuladegeräte. Zu den wichtigen Eigenschaften der Bausteine zählen die automatische Umschaltung zwischen Panel und Batterie, die integrierten Schutzfunktionen, der geringe Stromverbrauch und ihre Zuverlässigkeit. Die ICs tragen außerdem zur Miniaturisierung des Endgeräts bei, denn die Größe eines Bausteins beträgt nur höchstens 1,5 mm, und ihr Gehäuse der Bauart WQFN weist Abmessungen von 3 x 3 mm auf. Für ein schnelles Design-in bietet der Hersteller Evaluation-Boards in verschiedenen Konfigurationen an, so dass der Anwender ohne großen Aufwand unterschiedliche Solarpanel‑ und Batterie-Optionen testen kann.
Raimund Wagner
(rao)
