Energy Harvesting PMICs unter die Lupe genommen (Teil 2)

Bestimmung des Wirkungsgrads

Eine wichtige Größe ist der elektrische Wirkungsgrad. Er besagt, wie viel von der gewonnenen Leistung am Ausgang die Last nutzen kann. Er ergibt sich aus dem Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsleistung: 

eta equals P subscript o u t end subscript over P subscript I n end subscript equals fraction numerator U subscript O u t space end subscript times I subscript O u t end subscript over denominator U subscript ln space times I subscript ln end fraction

Selbstverständnis bezieht sich der hier ermittelte Wirkungsgrad allein auf das eingesetzte PMIC mit der auf den Boards jeweils implementierten Peripherie, was beim Übergang auf eine eigene Applikation zu berücksichtigen ist. In den Datenblättern sind meist mehrere Verläufe für den Wirkungsgrad angegeben. Aufgrund der unterschiedlichen Wandlertopologien und den dazu passenden Angaben ist es jedoch nicht möglich, einen gemeinsamen Arbeitspunkt für unterschiedliche PMIC-Typen bestimmen zu können. Beim SPV1050 sind beispielsweise lediglich Angaben zum Wirkungsgradverlauf in Abhängigkeit des Eingangsstroms zu finden. Üblich ist jedoch auch die Abhängigkeit von der Eingangsspannung, was sich deshalb nur messtechnisch ermitteln lässt.

Wie erwähnt, ist die jeweilige Topologie des Wandlers für die Messung von Bedeutung. Ein Aufwärtswandler mit MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracking), wie er im ADP5090 und im SPV1050 eingebaut ist, regelt seine Eingangsspannung auf einen festen Wert, während die Ausgangsspannung lediglich nach oben von einer Abschaltschwelle begrenzt wird. Ein Abwärtswandler ohne MPPT, wie er beispielsweise im LTC3331 zu finden ist, regelt hingegen seine Ausgangsspannung, die direkt für die angeschlossene Last zur Verfügung steht. Dementsprechend unterscheidet sich der Messaufbau (Bild 5) (vgl. auch mit Bild 3 im ersten Teil des Artikels).

Zur Untersuchung von Aufwärtswandlern wird an den Eingang eine Stromquelle angeschlossen. Der Wandler regelt die zugehörige Eingangsspannung abhängig vom Spannungsgrenzwert der Quelle und dem eingestellten MPPT-Wert. Während der MPPT-Messphase wird der Spannungswandler deaktiviert und die Ausgangsspannung der Quelle steigt auf den eingestellten Maximalwert. Diesen misst das PMIC als Leerlaufspannung. Der Lastausgang wird hingegen mit einer Spannungsquelle auf einem festen Spannungswert gehalten und der sich einstellende Strom mit einem Amperemeter gemessen. Die Spannungsquelle muss als Stromsenke fungieren können, wozu sich ein Sourcemeter eignet. Alternativ genügt ein paralleler Lastwiderstand.

PMICs mit Abwärtswandler hingegen stellen die Ausgangsspannung selbst ein, weshalb hier lediglich eine ohmsche Last benötigt wird, etwa in Form einer Widerstandsdekade. Eingesetzt wurden zwei Sourcemeter (2400, 2601) von Keithley sowie eine Widerstandsdekade R1-1000 der Firma Cosinus. Zusammenfassend kann für den ADP5090 konstatiert werden, dass die Messungen sehr gut mit den Angaben im Datenblatt übereinstimmen. Die MPPT-Funktion wurde hierfür abgeschaltet, was sich beim ADP5090-Board einfach per Jumper erledigen lässt.

Beim SPCV1050-Board ist hierfür ein Widerstand auszulöten. Die maximale Spannung, die als Referenz verwendet werden kann, ist dabei auf 5,5 V begrenzt. Dadurch ist es nicht möglich, Harvester einzusetzen, deren Leistungsmaximum bei mehr als 5,5 V liegt, obwohl der SPV1050 für Eingangsspannungen bis 18 V ausgelegt ist. Deshalb wurde die MPPT-Funktion nicht deaktiviert, was eine präzise Messung jedoch erschwert. Dies ist in den periodischen Unterbrechungen des MPPT-Algorithmus und den Änderungen der Referenzspannungen begründet.

Im Datenblatt des SPV1050 ist für die aufgezeichneten Wirkungsgradverläufe als Randbedingung die Leerlaufspannung UOC des Harvesters angegeben, was ohne Kenntnis des MPPT-Wertes jedoch nicht aussagekräftig ist. Beim Evaluation Board ist die MPPT-Funktion auf etwa 85% der Leerlaufspannung vorkonfiguriert. Bei einem Harvester mit einer UOC von 6 V ergibt sich somit eine Eingangsspannung von etwa 5 V. Die gemessenen Wirkungsgrade sind im Bild 6 (in rot) zusammen mit den Datenblattangaben (in schwarz) des SPV1050 dargestellt. Angaben für den Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Eingangsspannung sind im Datenblatt nicht zu finden. Die eigenen Messungen ergaben einen relativ konstanten Wirkungsgrad von 82 % (bei IIn = 10 mA) über den Spannungsbereich des Evaluation-Boards.

Grundsätzlich lässt sich erkennen, dass Leistungsmessungen bei höheren Stromstärken stabiler und zuverlässiger möglich sind, was daran liegt, dass die Spannungswandler für Energy-Harvesting-Anwendungen mit einer Pulsfrequenzmodulation (PFM) arbeiten. Dabei variiert nicht die Breite der Spannungspulse wie bei der Pulsweitenmodulation (PWM), sondern deren Häufigkeit. Dadurch wird der Wandler nur dann aktiv, wenn die Ausgangsspannung abfällt und Energie zu übertragen ist. Bei geringen Leistungen erreichen solche Wandler deutlich höhere Wirkungsgrade als ihre PWM-gesteuerten Pendants. Diese Energieübertragung in Form von periodischen Bursts erschwert jedoch das Ablesen der Ströme und Spannungen von digitalen Anzeigen und erfordert eine starke Filterung der Signale. Ein weiterer Grund ist der größere Einfluss der anderen Bauelemente auf den Evaluation-Boards und der Messleitungen bei niedrigen Strömen. Insbesondere beim LTC3331 war eine bessere Übereinstimmung mit den im Datenblatt angegebenen Wirkungsgraden (maximal 95 %) bei höheren Ausgangsströmen (ab circa 1 mA) festzustellen.