Energy Harvesting PMICs unter die Lupe genommen (Teil 1)

Anforderungen und Vergleichskriterien für PMICs

Linear Harvest bedeutet in der Praxis, dass sich kleinste Energiemengen unmittelbar speichern lassen, während bei Boost Harvest und bei MPPT erst höhere Energiemengen aufzubringen sind, die sich dann jedoch effizienter wandeln lassen (siehe Bild 4). Welches Verfahren jeweils besser geeignet ist, hängt demnach vom Harvester-Typ und den Betriebsbedingungen, dem Speichertyp, dem Laderegler und letztendlich auch von der Last und ihren jeweiligen Betriebszyklen ab, sodass keine allgemeingültige Empfehlung gegeben werden kann.

Gleichwohl sind die Anforderungen für die Applikation sowie die entsprechenden Kriterien für die Auswahl eines geeigneten PMICs zu definieren. Bei einer Marktrecherche nach Energiemanagement-ICs wird schnell deutlich, dass es unter den Herstellern keine einheitlichen Definitionen und Bezeichnungen gibt und die elektrischen Eigenschaften für das Datenblatt bei unterschiedlichen Bedingungen gemessen werden. Viele infrage kommende ICs bieten nur Teilfunktionen, und die Abgrenzung zu anderen Produktgruppen ist oft nicht eindeutig. Deshalb werden im Folgenden die wesentlichen Kriterien definiert, um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten und die Chipauswahl auf ein vertretbares Maß zu reduzieren, woraufhin diese im zweiten Teil dieses Artikels in der nächsten Ausgabe messtechnisch charakterisiert werden.

Allein die elektrischen Schnittstelle mit der nötigen Spannungswandlung zwischen Harvester und zu versorgender Anwendung zu betrachten reicht nicht aus. Denn dadurch würde auch die große Anzahl an reinen Spannungswandlern (LDOs) in die Betrachtung mit einbezogen, was letztlich, aber wieder, zu einem diskreten Aufbau der Energiemanagementschaltung führen würde.

Wichtig ist zunächst, dass ein PMIC zu Energiequellen mit geringen Ausgangsleistungen im Mikro- bis Milliwattbereich und hohen Ausgangsimpedanzen, wie bei Energy-Harvestern üblich, kompatibel ist. Entscheidend ist dies unter anderem bei der Betriebsart der verwendeten Spannungswandler, die in Energy-Harvesting-Anwendungen nicht wie meist mit Pulsweitenmodulation (PWM), sondern mit Pulsfrequenzmodulation (PFM) getaktet werden, was für einen höheren Wirkungsgrad bei geringen Leistungen sorgt.

Gesucht sind Produkte, die der Hersteller insbesondere für den Einsatz in Energy-Harvesting-Anwendungen entwickelt hat und deren Arbeitsbereich entsprechend optimiert ist. Ein PMIC sollte die erläuterten wesentlichen Energiemanagement-Funktionen beinhalten. Dazu zählt die Bereitstellung von Energie bei unzureichender Versorgung durch den Harvester. Dafür ist eine Schnittstelle zum Anschluss einer primären oder sekundären Batterie oder eines Kondensators nötig, inklusive Funktionen zum Schutz des Speichers gegen zu hohe und zu niedrige Spannungen.

Grundsätzlich könnte der Verbraucher auch direkt aus einem Akku gespeist werden, den der Harvester dann wieder auflädt. Dennoch muss die Möglichkeit bestehen, den Akku von der Last zu trennen, um eine Tiefentladung zu verhindern, wenn der Harvester über längere Zeit nicht genügend Energie liefert, weshalb eine reine Ladeschaltung ausscheidet.

Ein Power Gating sollte in einem Energiemanagement-Chip entweder vorhanden sein oder sich zumindest einfach in die Applikation integrieren lassen. Damit keine zusätzliche externe Schaltung notwendig ist, um den Ladezustand zu überwachen, sollte der PMIC über einen digitalen Ausgang signalisieren können, ob und wann ausreichend Energie für den Betrieb vorhanden ist. Dieses »Power Good«-Flag kann der Mikrocontroller der Applikation dann direkt verarbeiten, sodass er durch den damit ausgelösten Interrupt vom Schlaf- in den aktiven Betriebsmodus wechseln und beispielsweise das Auslesen und Senden eines Messwertes initiieren kann.

Dies führt zusammen zu den drei wesentlichen Merkmalen eines Energiemanagement-Chips:

  • Unterstützung mindestens einer Energy-Harvesting-Technologie im Leistungsbereich unter 1 mW,
  • Integration der Elektronik für den Anschluss eines Energiespeichers und
  • internes Power-Gating bzw. die Möglichkeit zur Statusübermittlung.

Wie erläutert gibt es noch weitere Funktionen, die in einem PMIC integriert sein können, aber nicht zwingend notwendig sind, was letztlich applikationsabhängig ist und durchaus ein entscheidendes Kriterium sein kann. 

Mit höherer Integrationsdichte steigt auch die Komplexität eines PMICs, sodass der Gesamtfunktionsumfang immer schwerer zu durchschauen ist und die passende Konfigurierung mühsamer hergestellt werden kann. Beim Betrachten der jeweiligen Daten ist es deshalb sinnvoll, sich zunächst auf die drei gerade erwähnten wesentlichen Punkte zu konzentrieren, bevor die folgenden weiteren Merkmale mit ins Kalkül gezogen werden:

  • geregelte Ausgangsspannung (LDO),
  • konfigurierbare Spannungsausgänge,
  • Kaltstart,
  • Wechselspannungseingang mit Brückengleichrichter,
  • Maximum Power Point Tracking (MPPT),
  • mehrere separate Spannungsausgänge und nicht zuletzt
  • Primärzelle als zusätzliches Backup-Element.

Ein bestimmter PMIC ist nicht automatisch leistungsfähiger als ein anderer, nur weil er über mehr Funktionen verfügt, entscheidend sind stets die Anforderungen der Applikation an die notwendigen Betriebsdaten eines solchen Chips.