Sparsamer Energy-Harvester und Akkulader erntet Energie aus unterschiedlichen Quellen

Das Internet of Things (IoT) stützt sich auf den Austausch von Daten zwischen Sensoreinheiten, die sich häufig an schwer zugänglichen Orten befinden. Dies verlangt nach autonomen Lösungen, um die ständige Verfügbarkeit dieser Remote-Sensoren zu gewährleisten und die Wartungskosten zu minimieren. Eine passende Technologie sind Energy-Harvester und Akkulader. Erklärtes Ziel ist es hierbei, ein Maximum an Energie aus der Umgebung in die Batterie zu transferieren und sie dort möglichst schnell zu speichern, ohne den Energiespeicher zu beschädigen oder seine Lebensdauer zu schmälern.

Zugeschnitten auf diese Vorgaben hat ST den Gleichspannungswandler SPV1050 entwickelt, der entweder in einem sehr kleinen Gehäuse oder als nackter Chip angeboten wird. Er lässt sich mit Photovoltaik-Zellen (PV) oder thermoelektrischen Generatoren (TEG) kombinieren und nutzt das MPPT-Verfahren (Maximum Power Point Tracking), um ein Optimum an Energie aus der jeweiligen Quelle zu extrahieren. Bestandteil des Bausteins ist ein effizienter Power-Manager, der einerseits zum zügigen Laden von Akkus jeglicher Art dient und andererseits die Stromversorgung weiterer Bauelemente (zum Beispiel MCU, Transceiver und Sensoren) übernimmt. Das IC kommt mit den Bedingungen im Indoor- und Outdoor-Einsatz zurecht und nutzt selbst kleinste Temperaturgefälle. Mit all seinen Features eignet er sich als zentrales Bauelement für industrielle Anwendungen auf der Basis drahtloser Sensornetzwerke.

Architektur des Wandlers

Der SPV1050 liefert eine Ausgangsleistung bis zirka 400 mW. Er basiert auf einem vollständig integrierten Vollbrücken-Gleichspannungswandler, der sich per Hardware als Boost- oder Buck-Boost-Wandler konfigurieren lässt und für einen großen Eingangsspannungsbereich von 75 mV bis 18 V ausgelegt ist. Er eignet sich damit zum Ernten von Energie aus den meisten TEGs und PV-Zellen auf dem Markt, wobei TEGs durch niedrige Spannungen und höhere Ströme, PV-Zellen aber umgekehrt durch höhere Spannungen und niedrige Ströme gekennzeichnet sind. Mit seinem MPPT-Algorithmus passt der Baustein seine Eingangsimpedanz an die Ausgangsimpedanz der jeweiligen Energiequelle an.

Der Algorithmus variiert den maximalen Leistungspunkt (MPP, Maximum Power Point) entsprechend den jeweiligen Umgebungsbedingungen. Hierzu misst er typischerweise alle 16 s die Eingangsspannung und speichert sie für kurze Zeit in einem externen Kondensator. Das Tastverhältnis, mit dem die internen MOSFETs schalten, wird in regelmäßigen Abständen entsprechend dem V_MPP-Wert angepasst, sodass es auch extrem schnell wechselnde Einstrahlungsbedingungen und Temperaturgradienten berücksichtigt. Den MPP stellt der Entwickler mithilfe eines externen Widerstandsteilers auf die technischen Daten der verwendeten Energiequelle und die typischen Einsatzbedingungen ein. Bei Bedarf lässt sich der MPPT-Algorithmus auch deaktivieren.

Steuerungslogik

Eine interne Steuerungslogik überwacht mithilfe eines externen Widerstandsteilers die Akkuspannung, um eine Überladung oder Tiefentladung zu vermeiden. Hiermit lassen sich die Ladegrenzen beliebiger Akkutypen (Lithium-Ionen, Lithium-Polymer, Superkondensator, Festkörper-Dünnschicht, NiMH) einhalten, da sich die Soll-Batteriespannung auf Werte zwischen 2,6 V und 5,3 V einstellen lässt. Der Unterspannungsgrenzwert ist je nach der Topologie und Technologie des Akkus auf Werte zwischen 2,2 V und 3,6 V einstellbar. Die Einstellgenauigkeit bei beiden Grenzwerten beträgt ±1 %.

Bild 1: Die Architektur des SPV1050 basiert auf einem vollständig integrierten Vollbrücken-Gleichspannungswandler, der sich per Hardware als Boost- oder Buck-Boost-Wandler konfigurieren lässt und rund 400 mW Ausgangsleitung liefert. ST Microelectronics

Der Baustein enthält zwei unabhängige Low-Power-LDOs mit Ausgangsspannungen von 1,8 V und 3,3 V. Beide Regler kommen auf einen maximalen Spannungsverlust von ± 0,5 % und versorgen ihren Verbraucher mit bis zu 200 mA. Sind sie aktiviert, geben sie an die angeschlossene Last nur dann Energie ab, wenn die Akkuspannung mindestens 5 % über dem Unterspannungsgrenzwert V_UVP sowie unter der Ladeendspannung V_EOC liegt. Kein Verbraucher wird deshalb durch instabile Ladung oder mangelnde Akkukapazität beeinträchtigt. Zwei Aktiv-Low-Digitalausgänge signalisieren dem Host-Controller, ob der Akku geladen wird (BATT_CHG) und ob der Längstransistor geschlossen ist (BATT_CONN). Der SPV1050 wird wahlweise als Chip oder in einem 5 × 5 mm² großen QFN-20-Gehäuse angeboten. Das Blockschaltbild ist in Bild 1 wiedergegeben.

Funktionsprinzip

Um eine lange Akkulebensdauer zu erreichen und die Sicherheit des Systems zu gewährleisten, steuert die interne Logik des Wandlers einen zwischen den Pins „Store“ und „Batt“ befindlichen Längstransistor so an, dass die Batteriespannung stets zwischen den erwähnten Grenzwerten Under-Voltage-Protection (UVP) und End-of-Charge (EOC) liegt. Vor dem ersten Einschalten des Bausteins ist der Längstransistor offen. In diesem Fall ist der aus dem Akku entnommene, auf technisch bedingte Leckströme zurückzuführende Strom kleiner als 1 nA. Dieser extrem niedrige Wert verbessert die Lagerfähigkeit der Lösung und verhindert, dass sich der Akku schon vor dem ersten Einsatz entlädt. Der Längstransistor wird geschlossen, sobald die Spannung am Store-Pin so weit angestiegen ist, dass der eingestellte EOC-Grenzwert am EOC-Pin überschritten wird.

Bild 2: Die Kennlinien geben den Umwandlungswirkungsgrad des Gleichspannungswandlers im Boost-Modus in typischen Anwendungsfällen und für verschiedene Lade- und Eingangsspannungen wieder. ST Microelectronics

Ist der Akku vollständig geladen, stellt der Gleichspannungswandler das Schalten ein, bis V_Store > V_EOC – EOC_HYS ist. Er beginnt wieder zu schalten, sobald die Spannung wieder unter diesen Grenzwert fällt. Auf die gleiche Weise öffnet der Längstransistor zum Vermeiden einer Tiefentladung, sobald die Spannung am Store-Pin unter den Grenzwert V_UVP fällt. Beide Funktionen werden einfach implementiert, indem mit einem Widerstandsteiler zwischen den Pins Store, UVP und EOC die beiden Grenzwerte V_UVP und V_EOC festgelegt werden. Die Kennlinien in Bild 2 geben den Umwandlungswirkungsgrad des Gleichspannungswandlers im Boost-Modus in typischen Anwendungsfällen und für verschiedene Lade- und Eingangsspannungen wieder.

Der Wandler fungiert zusätzlich als Power-Manager. Hierzu enthält er zwei LDOs und stellt an den jeweiligen Ausgangs-Pins geregelte Spannungen von 1,8 V und 3,3 V zur Verfügung. Die von den LDOs bereitgestellte Energie kann entweder per Energieernte gewonnen werden oder aus dem Akku kommen – je nachdem, wie viel Energie diese Quellen liefern können. Damit die LDOs überhaupt einen Strom liefert, muss der Akku verbunden sein – das heißt der Längstransistor zwischen Store und Batt muss geschlossen sein. Die beiden LDOs lassen sich unabhängig voneinander aktivieren oder deaktivieren, indem die jeweiligen Enable-Pins mit Aktiv-High-Signalen angesteuert werden.

Bild 3: Blockschaltbild des Evaluation-Boards STEVAL-ISV019V1. Das Board basiert auf der Boost-Konfiguration und gibt dem Applikationsdesigner eine schnelle und einfache Möglichkeit, die beste Systemkonfiguration zum Optimieren des Arbeitspunkts und des Wirkungsgrads des Wandlers zu ermitteln. ST Microelectronics

Designtools

Der SPV1050 wird durch eine komplette Auswahl an Evaluation-Boards, einem Demonstrations-Board und einer Reihe an Referenzdesign-Tools ergänzt. Das Evaluation-Board STEVAL-ISV019V1 (Bild 3) eröffnet den uneingeschränkten Zugang zu den Funktionen des Bausteins. Es enthält alle passiven Bauelemente, die für einen ordnungsgemäßen Betrieb erforderlich sind, und besitzt eine Vielzahl von Testpunkten, um die Spannungspegel des Bausteins zu überwachen. Das Board basiert auf der Boost-Konfiguration und gibt dem Applikationsdesigner eine Möglichkeit, die Systemkonfiguration zu optimieren. Externe Verbindungen zur Energieerntequelle und zum Akku sind vorhanden.

Das Board repräsentiert einen typischen Anwendungsfall zum Ernten von Energie aus PV-Panels mit 0,5 V ≤ V_MPP ≤ 2,5 V und 30 μA ≤ I_MPP ≤ 20 mA sowie zum Laden eines Akkus mit einem Unterspannungsgrenzwert (UVP) von 3,7 V und einer Ladeendspannung (EOC) von 4,2 V. Mit wenigen einfachen Modifikationen an den Bauelementen der Applikation sind Anpassungen an unterschiedliche Energiequellen (etwa PV, TEG oder USB) und Akkus möglich.

Bild 4: Blockschaltbild des Evaluation-Boards STEVAL-ISV020V1. Dieses Board, im Buck-Boost-Modus konfiguriert, ist für das Ernten von Energie aus PV-Panels mit 2,6 V ≤ V_MPP ≤ 9 V und 10 μA ≤ I_MPP ≤ 20 mA sowie zum Laden eines Akkus mit einem Unterspannungsgrenzwert (UVP) von 3,7 V und einer Ladeendspannung (EOC) von 4,2 V optimiert. _MPP ≤ 9 V und 10 μA ≤ I_MPP ≤ 20 mA sowie zum Laden eines Akkus mit einem Unterspannungsgrenzwert (UVP) von 3,7 V und einer Ladeendspannung (EOC) von 4,2 V optimiert. ST Microelectronics

Das Evaluation-Board STEVAL-ISV020V1 (Bild 4) ermöglicht ebenfalls den vollständigen Zugang zu allen Funktionen, jedoch wenn der Baustein für den Buck-Boost-Modus konfiguriert ist. Das Board ist für das Ernten von Energie aus PV-Panels mit 2,6 V ≤ V_MPP ≤ 9 V und 10 μA ≤ I_MPP ≤ 20 mA sowie zum Laden eines Akkus mit einem Unterspannungsgrenzwert (UVP) von 3,7 V und einer Ladeendspannung (EOC) von 4,2 V optimiert. Auch bei diesem Board sind zur Anpassung an unterschiedliche Energiequellen (PV, TEG, USB und so weiter) und Akkus nur wenige Änderungen nötig.

Das Demonstration-Board SPV1050

Beim STEVAL-ISV021V1 handelt es sich um ein komplettes Demonstrations-Kit mit einem Energieerntemodul auf Basis des SPV1050. Mit dem ergänzenden Power-Monitoring-Board stellt das Kit ein leistungsstarkes, umgehend einsatzbereites Werkzeug dar, mit dem sich die elektrischen Kenndaten des Energy-Harvesters demonstrieren lassen – zum Beispiel seine MPPT-Genauigkeit, sein Umwandlungswirkungsgrad, seine Eingangs- und Ausgangsleistung sowie Spannungen und Ströme auf der Quell- und Akkuseite. Angepasst an die elektrischen Eigenschaften des jeweiligen PV-Panels und des Akkus ist der Baustein als Buck-Boost-Wandler konfiguriert. Das Power-Monitoring-Board arbeitet mit einer Software-GUI (Graphical User Interface) zusammen, die die elektrischen Eigenschaften des Wandlers sowie die realen und idealen maximalen Leistungspunkte überwacht und visualisiert.

Das STEVAL-ISV021V1-Kit stellt somit ein eigenständiges Energieerntemodul dar, das Energie erntet und in einen Speicher transferiert und sich an eine Applikationsplatine anschließen lässt, um diese mit der nötigen, thermisch oder photovoltaisch gewonnenen Energie zu versorgen. Das Modul enthält überdies einen Erweiterungsanschluss zur Verbindung mit einer ergänzenden Mikrocontroller-Platine, mit der zusätzliche Ein- und Ausgangssignale des SPV1050 erfasst und überwacht werden.

Referenz-Design-Kit

Mit dem STEVAL-IDS002V1 (Bild 5) steht ein komplettes und vollständig konfigurierbares Referenzdesign zur Verfügung, das einen per PV-Modul gespeisten drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Sensorknoten implementiert. Dieses Kit enthält ein voll integriertes Multi-Sensor-Board mit einer kompletten Auswahl an ST-Bauelementen: einen Temperatursensor, einen Luftdrucksensor und einen Drei-Achsen-MEMS-Beschleunigungssensor, die alle vom SPV1050 versorgt werden. Ergänzt wird das Paket an ST-Komponenten durch einen STM32-Mikrocontroller und den HF-Sub-Gigahertz-Sender Spirit1. Zum Kit gehört schließlich auch ein Spirit-basierter Empfänger-Dongle, der vom USB-Port des PC gespeist wird.

Bild 6: Das im STEVAL-IDS002V1 enthaltene Power-Monitoring-Board ermöglicht es, die elektrischen Kenndaten des Energieernteteils zu evaluieren, wie seine MPPT-Genauigkeit, seinen Umwandlungswirkungsgrad, seine Eingangs- und Ausgangsleistung sowie Spannungen und Ströme an der Quelle und am Akku. ST Microelectronics

Das zum Kit gehörende Power-Monitoring-Board (Bild 6) gibt dem Benutzer die Möglichkeit, die elektrischen Kenndaten des Energieernteteils zu evaluieren, also beispielsweise seine MPPT-Genauigkeit, seinen Umwandlungswirkungsgrad, seine Eingangs- und Ausgangsleistung sowie Spannungen und Ströme an der Quelle und am Akku. Darüber hinaus lassen sich über die drahtlose Kommunikation mit dem PC sämtliche Sensoren auslesen. Das Kit wird hierzu durch die Vollversion der GUI-Software unterstützt, die bereits beim STEVAL-ISV021V1 zum Einsatz kommt und die Visualisierung der Daten ermöglicht, die mit der gewählten Übertragungsrate vom Multi-Sensor-Board gesendet werden. Der Senderteil basiert auf einem verlustleistungsarmen 32-Bit-Mikrocontroller des Typs STM32L151, der die Sensorkonfigurationen und Datenübertragungsintervalle festlegt. Der digitale Temperatursensor STTS751, der Drucksensor LPS331AP und der 3-Achsen-Beschleunigungsaufnehmer LIS3DH sind über den I²C-Bus mit dem Mikrocontroller verbunden.

Die Evaluierungs-Software und GUI

STEVAL-ISV021V1 und STEVAL-IDS002V1 werden durch eine benutzerfreundliche Software-GUI unterstützt. Die GUI ist in vier Reiter (Tabs) untergliedert. Der Reiter „Configuration“ dient zum Konfigurieren der Applikation durch das Einstellen einiger Parameter (zum Beispiel Abtast- und Übertragungsrate, aktive Sensoren und übertragene Leistung). Jede Konfiguration lässt sich abspeichern und in den Programmspeicher des Mikrocontrollers laden. Dies geschieht über einen USB-Anschluss und durch Anklicken des jeweiligen Buttons.

Der Reiter „Data Visualization“ (Bild 7) gibt die Messwerte aller aktiven Sensoren wieder, die vom Sender auf dem Board des STEVAL-IDS002V1 gesendet und vom Spirit1-basierten, an den PC angeschlossenen Dongle-Board empfangen wurden. Visualisieren lässt sich auch die Ausgangsspannung des eingebauten LDO2, der das gesamte Multi-Sensor-Board mit Strom versorgt – also den Mikrocontroller, die Sensoren und die Sendeschaltungen. Auch die HF-Sendleistung lässt sich grafisch darstellen.

Der Reiter „Power Visualization“ (Bild 8) informiert über Spannung und Strom der Energiequelle und des Akkus. Schließlich gibt es den Reiter „Efficiency“ (Bild 9), der die elektrischen Eigenschaften des Wandlers ebenso grafisch darstellt wie die Energiebilanz zwischen Quelle und Akku, die MPPT-Genauigkeit, den Umwandlungswirkungsgrad, die Einstrahlungsstärke (in Lux) und die Leerlaufspannung (V_OC) des PV-Panels.

Fazit

Der SPV1050 kombiniert in einem einzigen Chip nicht nur einen extrem effizienten Energy-Harvester und Akkulader, sondern auch einen Power-Manager zur Versorgung aller umgebenden Chips. Dank ihrer Buck-Boost-Struktur zeichnet sich diese Single-Chip-Lösung durch große Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Energiequellen aus. Sie kommt dabei mit weniger Leiterplattenfläche und einer geringeren Zahl externer Bauelemente aus, was die Zuverlässigkeit erhöht, die finale Lösung Platz sparender macht und die allgemeinen Systemkosten senkt. Dank seiner Eigenschaften ist der Baustein die geeignete Wahl für unterschiedlichste Anwendungen – von Wearables und Fitness-Produkten über die Gebäude- und Heimautomation und intelligente Beleuchtungen bis hin zu Zugangskontrollen, Mobilzubehör und vielen weiteren.

(wp/lei)