Niedrigleistungswandlung für Energy Harvesting

Unsere Umwelt enthält große Mengen an Energie, auf die wir bisher über Solaranlagen und Windkraftanlagen zugegriffen haben. Mithilfe neuer Harvesting-Instrumente gelingt es uns jedoch inzwischen, elektrische Energie aus einer Vielzahl von Umgebungsstromquellen zu gewinnen. Dabei ist nicht der Wirkungsgrad der Stromwandlung der Schaltkreise von Bedeutung, sondern die "durchschnittliche Menge gewonnener" Energie, die diese Schaltkreise antreibt. Thermoelektrische Generatoren wandeln beispielsweise Wärme in Strom um und über Piezo-Elemente werden mechanische Schwingungen, über Photovoltaik-Elemente wird Sonnenlicht (oder andere Photonenquellen) und über Galvanismus wird Feuchtigkeit in Strom umgewandelt. So können Remote-Sensoren mit Strom versorgt oder ein Speichergerät (z. B. ein Kondensator oder eine Dünnschicht-Batterie) geladen werden, um einen Mikroprozessor oder Sender von einem Remote-Standort ohne lokale Stromquelle zu versorgen.

Allerdings besteht gerade am "unteren" Ende des Leistungsspektrums, wo die Nano-Leistungswandlung in kabellosen Sensornetzwerken (wireless sensor networks, WSN) und für Sensoren häufiger zum Einsatz kommt, ein hoher Bedarf an Leistungswandlungs-ICs, die mit sehr geringen Leistungs- und Strommengen arbeiten können. Hierbei handelt es sich häufig um weniger als Einhundert Mikrowatt bzw. Nanoampere Strom. Die Verfügbarkeit solcher Leistungswandlungsprodukte, einschließlich Batterieladegeräten, die mit weniger als 1 µA Strom funktionieren, ist jedoch stark begrenzt.

Die erforderlichen IC-Leistungsmerkmale für die Einbindung in diese Anwendungen beinhalten:

• geringer Ruhestrom im Standby-Modus – i. d. R. unter 6 µA und bis hinunter zu 450 nA
• niedrige Startspannung – bis hinunter zu 20 mV
• Kompatibilität für hohe Eingangsspannungen – bis zu 34 V kontinuierlich und 40 V bei Schwankungen
• Kompatibilität mit AC-Eingängen
• Mehrere Ausgänge und autonome Verwaltung der Systemleistung
• Maximum Power Point Control (MPPC) für Solar-Eingänge
• kompakte Größe mit minimaler Anzahl externer Komponenten

Bei WSNs handelt es sich um unabhängige Systeme, die einen Wandler für die Umwandlung von Umgebungsenergie in ein elektrisches Signal enthalten und i. d. R. einen DC/DC-Wandler und -Manager für die Versorgung der nachgelagerten Elektronik mit den passenden Spannungs- und Stromgrößen. Bei der nachgelagerten Elektronik handelt es sich um einen Mikro-Controller, einen Sender und einen Transceiver.

Bei der Implementierung von WSNs sollte berücksichtigt werden, welche Leistung für ihren Betrieb erforderlich ist. Theoretisch scheint dies leicht lösbar, allerdings wird diese Berechnung in der Praxis durch einige Faktoren erschwert. Beispielsweise muss berücksichtigt werden, wie häufig eine Messung durchgeführt werden muss. Oder wie groß das Datenpaket sein wird und wieviel Strom für dessen Übertragung erforderlich ist. Dies hängt damit zusammen, dass der Transceiver ungefähr 50 % der Energie verbraucht, die das System für eine einzige Sensormessung und -übertragung benötigt. Verschiedene Faktoren beeinflussen den Stromverbrauch eines Systems zum Energy Harvesting oder WSN und müssen daher berücksichtigt werden.

Die von der Energy-Harvesting-Quelle bereitgestellte Energie ist davon abhängig, wie lange die Quelle zur Verfügung steht. Die wichtigste Messgröße beim Vergleich verwendeter Stromquellen ist daher nicht die Energiedichte, sondern die Stromdichte. Beim Energy Harvesting werden in der Regel geringe, variable und nicht vorhersehbare Strommengen verwendet. Daher kommt häufig eine Hybrid-Lösung zum Einsatz, in der der Harvester und ein sekundärer Stromspeicher kombiniert werden. Der Harvester dient aufgrund seiner unbegrenzten Energieversorgung und der geringen Stromwerte als Energiequelle des Systems. Der sekundäre Leistungsspeicher (Batterie oder Kondensator) bietet eine höhere Ausgangsleistung, speichert jedoch weniger Energie. Die Leistung wird bei Bedarf bereitgestellt, allerdings erfolgt die Ladung regelmäßig über den Harvester. Wenn keine Umgebungsenergie verfügbar ist, aus der Strom gewonnen werden kann, kommt der sekundäre Leistungsspeicher zur Versorgung des WSN zum Einsatz. Dies stellt für Systemplaner eine deutlich höhere Komplexität dar, da damit auch berücksichtigt werden muss, wieviel Strom im sekundären Stromspeicher vorgehalten werden muss, um den Ausfall der Umgebungsenergiequelle auszugleichen.

WSNs müssen sehr geringe Strommengen verwenden, wenn sie verfügbar sind. Die Komponenten in einem System müssen daher auch mit diesen geringen Strommengen umgehen können. Mit den Transceivern und Mikrocontrollern wurde diese Anforderung bereits erfüllt, allerdings besteht in Bezug auf die Leistungswandlung und Batterieladung noch Handlungsbedarf. Linear Technology hat daher den LTC3388-1/-3 und den LTC4071 speziell für diese Anforderungen entwickelt.

Bei dem LTC3388-1/-3 handelt es sich um einen synchronen Abwärtswandler mit einem Eingang von 20 V, der mit einem 3 x 3 mm großen (oder MSOP10-E) Gehäuse bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefern kann – siehe Abbildung 1. Er arbeitet in einem Eingangsspannungsbereich von 2,7 bis 20 V und ist damit ideal für eine Vielzahl von Energy Harvesting- und batteriebetriebenen Anwendungen geeignet, u. a. für die Versorgung von "keep-alive"-Anwendungen, Sensoren und industriellen Steuerungen.

Abbildung 1: Typisches Anwendungsschema des LTC3388-1/-3

Der LTC3388-1/-3 nutzt eine synchrone Hysterese-Gleichrichtung zur Optimierung des Wirkungsgrads über einen großen Laststrombereich. Er bietet einen Wirkungsgrad von über 90 % für Lasten im Bereich von 15 μA bis 50 mA und erfordert nur einen Ruhestrom von 400 nA. Dies ermöglicht eine verlängerte Batterielebensdauer, wenn Batterien für die Hilfsstromversorgung eingesetzt werden.

Der LT3388-1/-3 beinhaltet zudem eine genaue ULVO-Funktion (undervoltage lock-out) zur Deaktivierung des Wandlers beim Abfall der Eingangsspannung auf unter 2,3 V. Der Ruhestrom wird dann auf nur 400 nA reduziert. Während der Regulierung (ohne Last) geht der LTC3388-1/-3 in den Ruhemodus über, um den Ruhestrom auf nur 720 nA zu reduzieren. Der Abwärtswandler schaltet sich dann ein und aus, so wie dies für die Ausgangsregulierung erforderlich ist. Ein zusätzlicher Standby-Modus deaktiviert die Schaltung, während der Ausgang für kurzzeitige Lasten reguliert wird. Dies kommt beispielsweise in kabellosen Modems zur Anwendung, die eine geringe Welligkeit erfordern. Das Design mit hohem Wirkungsgrad und geringem Ruhestrom eignet sich ideal für Energy Harvesting, das lange Ladezyklen mit kurzen Stoßlasten für die Versorgung von Sensoren und kabellosen Modems erfordert.

In WSNs kommt häufig eine Batterie zur Hilfsstromversorgung zum Einsatz. Die designbezogene Herausforderung, wie die Ladung über Niedrigleistungsquellen erfolgen kann, ist groß. Das LTC4071 von Linear Technology ist ein Shunt-Batterieladesystem, das einen integrierten Batteriesatzschutz und eine Abschaltfunktion bei niedrigem Batteriestand zum Schutz von Batterien mit geringer Ladung vor Schäden durch Selbstentladung bietet. Es handelt sich um ein einfaches, aber dennoch hochentwickeltes Lade- und Schutzgerät für Lithium-Ionen/Polymer-Batterien. Dank des extrem niedrigen Betriebsstroms von 550 nA ist eine Ladung aus bisher nicht nutzbaren schwankenden oder kontinuierlichen Ladequellen mit sehr geringem Strom, wie dies bei Anwendungen für das Energy Harvesting der Fall ist, möglich. Ein interner Thermokonditionierer für Batterien reduziert die Erhaltungsspannung zum Schutz von Li-Ionen-/Polymer-Zellen, Knopfzellen oder Dünnschicht-Batterien bei hohen Batterietemperaturen. Dank des 8-ädrigen, 2 x 3 mm großen DFN-Gehäuses mit niedrigem Profil stellt das LTC4071 eine komplette und ultrakompakte Ladegerätlösung dar, die nur einen externen Widerstand, in Reihe geschaltet mit der Eingangsspannung erfordert.

Tragbare Anwendungen und Energy-Harvesting-Systeme müssen für einen korrekten Betrieb in einem breiten Leistungsbereich betrieben werden (vom Mikrowatt-Bereich bis mehr als 1 W), wobei Systemplaner allerdings aus einer Vielzahl verschiedener Leistungswandlungs-ICs wählen können. Gerade am unteren Ende des Leistungsbereichs, d. h. in Verbindung mit Nanoleistungen, ist die Auswahl jedoch stärker eingeschränkt.

Es stehen allerdings Lösungen für die Leistungswandlung und Batterieladung zur Verfügung, die mit Ruheströmen unter einem Mikroampere arbeiten und so die Batterielebensdauer für "keep-alive"-Schaltungen in Niederleistungssensoren und einer neuen Generation von WSNs verlängern können.