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Energy-Harvesting-On-Chip-Subsystem

Ohne Batteriewechsel auskommen im IoT

6. September 2021, 11:02 Uhr | Von Stephen Evanczuk, Fachredakteur bei Digi-Key

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Integrierter Energy Harvesting Controller vereinfacht das Design

Zusammen mit seinen Funktionsblöcken bietet der EHC mehrere Spannungsüberwachungsschaltungen sowie mehrere Status- und Steuerregister zur Orchestrierung der Leistungsabgabe. Zum Beispiel zeigt ein Statusflag eines stromerzeugenden Elements (ENOUT) an, ob dieses Element Strom erzeugt. Umgekehrt zeigt ein Flag für die Ladezielüberwachung (CMPOUT) an, ob die Ladespannung an der Sekundärbatterie oder am Speicherkondensator anliegt. Jedes dieser Merkmale spielt eine Rolle, wenn der EHC die Betriebszustände im Zusammenhang mit dem Start, dem normalen Betrieb und der Erschöpfung der Batterie durchläuft (Bild 5).

Wenn ein stromerzeugendes Element an die MCU angeschlossen wird, geht der EHC in die Anfangsladephase über. Hier ermöglicht der EHC den Stromfluss zu VCC_SU und lädt den Speicherkondensator, bis der Spannungspegel an VCC_SU eine bestimmte Schwellenspannung VCC_SU_H überschreitet. An diesem Punkt verwendet der EHC dann den Speicherkondensator, um mit der Stromversorgung des Systembereichs, VCC, zu beginnen. Wenn VCC die Einschaltschwellenspannung (VPOR) überschreitet, geht das Einschalt-Reset-Signal auf High, wodurch das Gerät aus dem Reset freigegeben wird und gleichzeitig ENOUT auf High gebracht wird, was anzeigt, dass das stromerzeugende Element aktiv ist.

Nach dem Einschalt-Reset wird das Ladesteuerungsregister VBAT_EHC des EHC auf 11b gesetzt, wodurch das Gerät mit dem Laden der Sekundärbatterie beginnen kann. In der Tat wechselt der EHC während dieses Zeitraums seinen Ladeausgang zwischen der Sekundärbatterie und dem Speicherkondensator, um die VCC-Versorgung aufrechtzuerhalten, während die Batterie geladen wird. Wenn die Spannung des Speicherkondensators unter eine untere Schwellenspannung VCC_SU_L fällt, schaltet der EHC den Strom auf VCC_SU um, bis die obere Schwelle VCC_SU_H erreicht wird, an der das Laden der Sekundärbatterie wieder aufgenommen wird. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Akkuspannung an VBAT_EHC die VBAT-Schwelle VBAT_CHG erreicht (Bild 6).

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Nach dem Laden der Batterie wird das Quickmode-Bit gesetzt, wodurch der EHC in den stationären Betriebszustand übergeht. In diesem Zustand lädt der EHC die Batterie weiterhin über das stromerzeugende Element auf, während er gleichzeitig Strom von der Batterie in den VCC-Bereich liefert.

Wenn die Umgebungsenergie sinkt und das stromerzeugende Element keinen Strom mehr liefert, versorgt das EHC weiterhin VCC aus der Batterie. Schließlich erkennt die interne Spannungsüberwachung, dass VBAT_EHC unter einen voreingestellten Schwellenwert, Vdet1, gefallen ist, und das Quickmode-Bit wird auf Null zurückgesetzt. Sobald dieses Bit gesetzt ist, wird die Stromversorgung zum VCC-Bereich unterbrochen und die EHC-Register werden initialisiert. Ein weiteres Absenken von VCC unter VPOR veranlasst das Gerät, das Einschalt-Resetsignal zurückzusetzen. Um den Betrieb wieder aufzunehmen, muss das Gerät dementsprechend die erste Ladesequenz durchführen, nachdem die Umgebungsenergie auf ein ausreichendes Niveau angestiegen ist.