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Ultra-Low-Power-Sensoren

Power-Management für ein langes Leben im IoT

9. Juni 2016, 16:08 Uhr | Marcel Consée

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Energiepuffer-Konzepte

Bei der Verwendung einer gepufferten Stromversorgungsarchitektur mit Kondensator kommen folgende zwei Grundkonzepte in Frage:

Aufwärtswandler – Energiespeicher – Abwärtswandler
Abwärtswandler – Energiespeicher – Aufwärtswandler

Bei dem ersten Konzept wird die Batteriespannung zunächst hochgesetzt, um einen Kondensator zu laden. Anschließend wird die Spannung auf die vom SoC oder HF-Verstärker benötigten Werte herabgesetzt. Dabei lassen sich Kondensatoren geringerer Kapazität verwenden, da die gespeicherte Energiemenge proportional zum Quadrat der Kondensatorspannung ist. Je höher die Spannung, umso mehr Energie wird im Kondensator gespeichert. Nachdem die Energie im Kondensator gespeichert ist, wird die Spannung auf den jeweils gewünschten Wert reduziert. Da die für die Funkübertragung benötigte Energie dem Kondensator entnommen wird, ist die Batterie wirksam entkoppelt.

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Bei der zweiten Architektur wird ein Abwärtswandler direkt an die Batterie angeschlossen. Dieser Wandler erzeugt eine niedrigere Spannung, die zum Laden des Kondensators verwendet wird. Wegen der geringeren Spannung muss der Kapazitätswert des Kondensators höher sein. Allerdings erlaubt die niedrigere Spannung die Verwendung von EDLC-Kondensatoren, die mit Kapazitäten bis zu mehreren Farad gut verfügbar sind. Im Anschluss an den Kondensator wird die Spannung wieder auf den gewünschten Wert hochgesetzt (Bild 3). Dieses Konzept hat zudem folgende Vorteile:

Wegen der niedrigeren Spannung am Speicherkondensator müssen geringere Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden als bei einem Kondensator mit höherer Spannung.
Die bereits reduzierte Spannung kann direkt den Mikrocontroller-SoC versorgen werden. Der Gesamtstrombedarf reduziert sich, da stets nur ein DC/DC-Umsetzer aktiv ist.
Die niedrigere Spannung erlaubt die Verwendung von EDLC-Kondensatoren, die mit hohen Kapazitätswerten angeboten werden.

Bei der Verwendung einer Stromversorgung nach dem Prinzip »Abwärtswandler – Energiespeicher – Aufwärtswandler« in einem drahtlosen Sensor – wie in Bild 3 dargestellt – wird die niedrigste zulässige EDLC-Spannung von der minimalen Versorgungsspannung des SoC bestimmt. Die Pufferung der Energie erfolgt dann durch Aufladen des Kondensators auf seine Maximalspannung von 2,7 V. Dies geschieht unmittelbar vor der Funkübertragung. Hierdurch bleibt die durchschnittliche Versorgungsspannung des SoC nahe an ihrem Mindestwert von etwa 2 V. Während der Funkübertragung wird der EDLC bis auf die definierte Mindestspannung entladen. Ein Beispiel für dieses Konzept enthält das Referenzdesign »PMP9753« von Texas Instruments.