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Energy-Harvesting

Fehlendes Glied gefunden

22. Juni 2010, 11:43 Uhr | Tony Armstrong

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Fehlendes Glied gefunden

20 mV sind genug

Linear Technology hat vor kurzem den »LTC3108« vorgestellt, einen Aufwärtswandler und Power- Manager, der speziell für die Aufgabe des Energieerntens und Handhabens von überschüssiger Energie aus Quellen mit extrem kleinen Ausgangsspannungen entwickelt wurde. Darunter fallen beispielsweise Thermoketten, thermoelektrische Generatoren (TEGs) und sogar kleine Solarmodule. Seine Wandlertopologie arbeitet mit Eingangsspannungen bis hinunter zu 20 mV. Dadurch kann der LTC3108 Energie aus einem TEG bei einem Temperaturunterschied von nur 1 K ernten, was diskrete Implementierungen auf Grund ihres hohen Ruhestroms nicht können.

Die in Bild 2 dargestellte Schaltung benutzt eingangsseitig einen kleinen Trafo zur Aufwärtswandlung, um die Eingangsspannung zu verstärken. Dies ergibt eine vollständige Power-Management- Lösung für drahtlose Sensornetze und die Datenerfassung. Sie kann Energie aus sehr kleinen Temperaturunterschieden »ernten« und ein System damit versorgen, anstatt wie traditionell üblich Batteriestrom zu verwenden.

Der LTC3108 benutzt einen selbstleitenden n-Kanal-MOSFET (depletion mode), um mit einem externen Aufwärtswandler und einem kleinen Koppelkondensator einen Aufwärtsoszillator zu bilden. Dadurch lassen sich kleine Eingangsspannungen ab 20 mV hoch genug verstärken, um mehrere geregelte Ausgangsspannungen zur Versorgung anderer Schaltungen zu generieren. Die Frequenz der Schwingung wird von der Induktivität der zweiten Wicklung des Trafos bestimmt und liegt typisch im Bereich zwischen 20 kHz und 200 kHz. Für so kleine Eingangsspannungen ist ein Wicklungsverhältnis von der Primär- zur Sekundärwindung von 1:100 empfehlenswert. Für höhere Eingangsspannungen kann ein kleineres Wicklungsverhältnis benutzt werden. Diese Trafos sind ab Lager lieferbare Standardkomponenten und von den Herstellern magnetischer Komponenten sofort lieferbar.

Der selbstleitende n-Kanal-MOSFET ist es, der den 20-mV-Betrieb ermöglicht. Wie man aus Bild 3 erkennen kann, verwendet der LTC3108 eine Methode auf der »Systemebene«, um ein komplexes Problem zu lösen. Er kann die geringe Spannung der Quelle wandeln und die Energie zwischen mehreren Ausgängen managen. Die Wechselspannung, die an der zweiten Wicklung des Trafos erzeugt wird, verstärkt ein externer Ladungspumpen-Kondensator (von der zweiten Wicklung zu Pin C1), die internen Gleichrichter des LTC3108 sorgen für die Gleichrichtung. Diese Gleichrichterschaltung speist Strom in den Vaux-Pin, wodurch Ladung an den externen Vaux-Kondensator und dann an die weiteren Ausgänge geliefert wird. Der interne 2,2-V-LDO kann einen Mikrocontroller mit geringem Leistungsbedarf oder andere derartige ICs versorgen. Der LDO wird vomhöheren Wert versorgt – entweder von Vaux oder Vout. Dadurch kann der LTC3108 Energie bereitstellen, sobald Vaux auf 2,3 V geladen ist, während der Speicherkondensator von Vout weiter lädt. Tritt eine sprungartige Laständerung am LDO-Ausgang auf und fällt Vaux unter Vout ab, kann Strom vom Haupt-Vout-Kondensator fließen. Der LDO-Ausgang kann bis zu 3 mA Strom liefern.

Die Hauptausgangsspannung an Vout wird von der Vaux-Versorgung geladen und ist unter Einsatz der Spannungswählpins VS1 und VS2 vom Anwender auf eine von vier geregelten Spannungen programmierbar. Diese vier festen Ausgangsspannungen sind: 2,35 V für Superkondensatoren, 3,3 V für Standardkondensatoren, 4,1 V für Lithium-Ionen-Akkus und 5 V für eine höhere Energiespeicherung und einen höheren Hauptsystempegel, um einen drahtlosen Transmitter oder Sensoren zu versorgen. Damit wird die Notwendigkeit für externe Widerstände mit Werten von mehreren Megaohm eliminiert. Somit erfordert der LTC3108 keine speziellen Leiterplattenbeschichtungen, um Leckströme zu minimieren, wie dies bei diskreten Designs der Fall ist, die Widerstände mit sehr großen Werten benötigen.