Ladeschaltung kommt schon mit 100 mV aus Effiziente Stromernte

Blockdiagramm des Energy-Harvesting-ICs bq25504
Blockdiagramm des Energy-Harvesting-ICs bq25504

Mit dem neuen Energy-Harvesting-IC bq25504 von Texas Instruments lässt sich aus Photo- oder Seebeck-Spannungen ab 100 mV hocheffizient ein Ladestrom für Lithium-Ionen-Akkus erzeugen.

Zur externen Beschaltung benötigt man nur die mit einem Kondensator gepufferte Energiequelle, eine Spule für den integrierten Hochsteller (boost converter) sowie maximal vier Spannungsteiler zur Programmierung diverser Schwellenwerte und Ladecharakteristika.

»MPP-Tracking ist eine extrem wichtige Voraussetzung für effizientes Energy Harvesting«, weiß Miro Adzan, EMEA Marketing Manager, Power Solutions bei Texas Instruments. Deshalb lässt sich der neue Baustein bq25504 mit Hilfe eines Programmierwiderstandes optimal auf den Maximum Power Point (MPP) des jeweils eingesetzten Elementes einstellen. Adzan fügt ergänzend hinzu: »Wichtig ist aber auch, dass der Baustein sich bereits mit einer Eingangsspannung von nur 100 mV zufrieden gibt«.

Diese bescheidene Eingangsspannung kann entweder von einer Solarzelle oder einem thermo-elektrischen Generator (Seebeck-Element) stammen. Zwar erreicht der Wirkungsgrad bei diesem Schwellenwert nur 30-40 Prozent, jedoch steigt die Effizienz bei zunehmender Eingangsspannung rapide an: Bei 200 mV sind es schon beinahe 60 Prozent und ab 500 mV stehen bereits 80 oder mehr Prozent der Eingangsleistung am Ausgang bereit (bei einem Eingangsstrom ab weniger als 1 mA bis etwas mehr als 10 mA). Ab 2 V erreicht der Wirkungsgrad sogar 90 Prozent (der Baustein ist für eine maximale Eingangsspannung von 5,5 V ausgelegt).

Dass der Baustein so effizient arbeitet, hat unter anderem mit dem geringen Eigenverbrauch zu tun: Im Ruhezustand beträgt dieser nur typisch 330 nA (maximal 750 nA). Im Ruhezustand (bei einer Eingangsspannung von weniger als 100 mV) zieht der Baustein diesen fast vernachlässigbaren Strom aus dem von ihm versorgten Akku oder Ultrakondensator. Und sobald die Eingangsspannung 100 mV überschreitet, lädt der Regler den Akku oder Ultrakondensator weiter auf. Sollte dieser mal völlig entladen sein, benötigt der bq25504 vorübergehend eine Eingangsspannung von 330 mV. Zu diesem Zweck enthält der Energy Harvester einen Kaltstart-Schaltkreis, der in der Lage ist, die Einzelschaltkreise gezielt mit der notwendigen Mindest-Ladung oder Spannung zu versorgen. Sobald die Startphase beendet ist, schaltet die Steuerungseinheit (Power Management Control Unit, PMU) einen Hochsteller (Boost) zu, der die Spannung mit einer Genauigkeit von 1 Prozent so transformiert, dass optimaler Ladestrom fließt. Die Restwelligkeit liegt bei weniger als 2 Prozent. Die PMU überwacht den Ladevorgang ständig und stellt ggf. auch fest ob am Akku Überspannung, Unterspannung oder Überhitzung vorliegt und leitet ggf. korrigierende Maßnahmen bis hin zur Abschaltung ein Sobald die Batteriespannung ausreicht, um eine externe Last zu versorgen, gibt der bq25504 ein OK-Signal aus. Sollte während des Ladevorgangs die maximal zulässige Klemmenspannung erreicht werden, unterbricht die PMU den Ladevorgang, bis die anschließende Entladung die Klemmenspannung auf den Hysterese-Wert hat absinken lassen. Die Vorgabe für die diversen Schwellenwerte für die Klemmenspannung lassen sich (genauso wie das MPP-Tracking) extern mit Spannungsteilern programmieren. Weil der bq25504 schon mit einer sehr geringen Eingangsspannung auskommt, lassen sich auch Solarzellen anschließen, die bei Kunstlicht (z.B. am Arbeitsplatz) eine ausreichende Spannung abgeben.

Betrieb des bq25504 ist im Temperaturfenster von -40 °C bis +125 °C Junction-Temperatur (Tj)  zulässig. Der IC ist in einem 16-poligen VQFN-Gehäuse (Very Thin Profile Quad Flat Non Leaded) mit einer Kantenläng von 3 mm untergebracht und ab sofort in Stückzahlen zu einem Preis von 2,10 US-Dollar lieferbar. Nähere Infos sind unter www.ti.com/bq25504-preu abrufbar.