Energy Harvesting Aus mehreren Quellen versorgt

Aufbau des MISIMO-Wandlers

 

Bild 1 zeigt die Hochsetz/Tiefsetzsteller-Stufe (Buck/Boost) des MISIMO-Wandlers. Zu sehen ist auch der Spulenstrom für verschiedene Betriebszustände, um bei mehreren Eingängen und einer Lastregelung über mehrere Ausgänge die Energie effizient und entkoppelt ernten zu können. Der Chip sammelt Energie aus bis zu drei Quellen gleichzeitig: über eine Solarzelle (PV) bei 0,2 V bis 1 V, einen thermoelektrischen Generator (TEG) bei 0,1 V bis 0,4 V und eine Biomasse-Brennstoffzelle (BFC) bei 0,2 V bis 0,5 V. Dabei regelt der Chip drei unterschiedliche Stromversorgungsleitungen (jeweils zwischen 0,4 V und 1,4 V) unabhängig voneinander.

Ist die momentane Last höher als die Entnahmeleistung aus den Harvesting-Quellen, wählt der ereignisgesteuerte MISIMO-Controller den Akku als Quelle in Phase ϕ1, um eine oder mehrere Lasten in Phase ϕ2 mit Energie zu versorgen. Steht genügend Harvester-Energie zur Verfügung, wird diese in ϕ1 entnommen und an die bis zu drei Verbraucher bzw. den Akku in ϕ2 geliefert. In beiden Fällen reduziert die Single-Cycle-Mehrfachlastregelung die Schaltverluste maximal um den Faktor 3.

Mithilfe von PFM-Komparatoren (Pulsfrequenzmodulation) mit integrierter Hysterese wird jede Quelle auf ihre Maximum-Power-Point-Spannung VMPP,i und jede Last auf ihre eigene Referenzspannung Vref,i geregelt. Die untere Schaltschwelle der Komparatoren löst das Ende von ϕ1 aus und bestimmt damit dynamisch die Zeit tϕ_Hi, wie lange also die Spule auflädt, während die obere Schwelle einen neuen Schaltzyklus auslöst und dynamisch die Schaltfrequenz fsw_Hi des Harvesters definiert. Ist bei einem Last- oder Quellenwechsel die Hysterese der Lastregelung erfüllt und fließt noch Strom durch die Spule, so leitet der MISIMO-Controller diese Ladung am Ende von ϕ2 zurück in den Akku.

Dieses Regelungskonzept stellt sicher, dass die Ausgangswelligkeit unabhängig ist vom Spitzenstrom der Spule, den das MPPT vorgibt. Dadurch werden die Bedingungen für die Quellen- und Lastregelung voneinander entkoppelt und der Kompromiss aus [3] dadurch aufgelöst. Wird andererseits der Akku als Quelle ausgewählt, variiert tϕ_BAT in Abhängigkeit von den Lastbedingungen. Dadurch lässt sich sowohl die Rückspeisung der Ladung in den Akku minimieren, um zusätzliche Leitungsverluste zu minimieren, als auch die Zeit verkürzen, in der die Spule mit Akkustrom arbeitet, um so Zeit für das Energy-Harvesting zu gewinnen.

Ein detailliertes Schema der MISIMO-Leistungsstufe (Power Stage) und des Reglers zeigt Bild 2. Die Leistungsstufe nutzt mehrere in Serie geschaltete Transistoren, um die Ableitströme während ϕ3 bei schwacher Last um das Neunfache zu reduzieren. Der MISIMO-Controller passt die tϕ_BAT an und führt eine Switch-Size-Modulation (SSM) an den Leistungstransistoren durch, deren Größe 2-bit-binär gewichtet ist. Grundlage ist in beiden Fällen der Laststrom-Anzeigeausgang (Load Current Indicator), der die Zahl der Schaltzyklen über der Induktivität zählt, die für jede Last erforderlich ist, um bei Akkubetrieb genügend Energie bereitzustellen, damit jede Last in einem einzelnen Zyklus genügend Energie vom Akku erhält. Der Nullstrom-Detektor (Zero-Current Detector, ZCD) dominiert normalerweise die Verluste im Regler, da er schnell genug sein muss, um einen Rückwärtsstrom durch die parasitären Dioden in den Leistungstransistoren zu verhindern, wodurch der Wirkungsgrad sinkt. Dieser Detektor ist nur für den Betrieb in ϕ2 ausgelegt, sodass sich dessen Verluste auf die gesamten Reglerverluste vernachlässigen lassen.

Bild 3 zeigt das Kontrollflussdiagramm mit den MISIMO-Algorithmen zur Auswahl und Regelung von Quelle und Last. Der quellenseitige Regler ist nur dann aktiv, wenn eine Last Strom benötigt (Lj_cmp=‘0‘) oder wenn Harvester-Energie verfügbar ist (Hi_cmp=‘1‘) und der Akku nicht vollständig geladen ist (BATOV=‘0‘). Andernfalls ist der quellenseitige Regler deaktiviert und spart bis zu 2,3× Strom. Ist dieser aber aktiv, wird während ϕ1 anhand der Harvester-Komparatorausgänge Hi_cmp und des Lastzustandes eine Quelle ausgewählt. Der lastseitige Algorithmus wird erst am Ende von ϕ1 aktiviert und liefert unter Echtzeitbedingungen Energie an eine oder mehrere Lasten. Um Fehler bei der Cross-Regulation zu vermeiden (gegenseitige Beeinflussung bei der Regelung von Mehrfachausgängen), die durch unerwartet hohe Lastsprünge und Sprünge bei der Referenzspannung Vref entstehen, begrenzt der MISIMO-Lastalgorithmus eine einzelne Last insoweit, dass diese in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen nicht die gesamte Energie aus der Spule erhält.