Schaltwandler von Analog Devices
Nanopower fürs smarte Heim
Technik für Smart-Home-Anwendungen wie Sensoren, Schalter oder Fernbedienungen sind oft batteriebetrieben, da sie an abgelegenen Orten ohne Kabelverbindungen eingesetzt werden. Um hierfür zuverlässige, kostengünstige Systeme mit kleinem Formfaktor zu bauen, ist die Energieverwaltung entscheidend.
Komfort ist ein tief verwurzelter Wunsch der menschlichen Natur. Obwohl wir hart arbeiten, geben wir unser Geld aus, um uns das Leben zu erleichtern. Ein Bereich, der diesbezüglich große Fortschritte macht, ist die Hausautomatisierung mit Smart-Home-Technologie. Wir möchten, dass unsere Häuser uns besser dienen und mehr Entspannung, Komfort, Sicherheit und Umweltvorteile bieten.
Traditionelle Heimsysteme wie HLK-Anlagen, Sicherheitsalarme, Rasensprenger und Home Entertainment gibt es schon seit einiger Zeit. Allerdings benötigte man eine vernetzte und webbasierte Steuerung, um den Komfort wirklich zu erhöhen. Früher musste man vielleicht erst die Bedienungsanleitung herauskramen, um die Sprinkleranlage auf Sommerzeit umzustellen. Jetzt kann eine einzige App auf unserem Telefon alles verwalten und trifft grundlegende Entscheidungen oft automatisch.
Konzipieren einer Smart-Home-Anwendung
Normalerweise müssen Sensoren im ganzen Haus verteilt werden, damit das Smart Home Dinge sehen, hören und fühlen kann. Klassische Sensoren erfassen Licht, Temperatur und Bewegung, während modernere Sensoren Bilderkennung und andere hochintelligente Erkennungsfunktionen beinhalten. Solche Sensoren können erkennen, wie viele Personen sich in einem bestimmten Raum aufhalten, und sie können unterscheiden, ob eine freundlich gesonnene Katze sich entschließt, zur Haustür zu gehen, oder ob ein Einbrecher auf der Suche nach Wertgegenständen durch ein Fenster schaut.
Um Kosten zu sparen und Flexibilität zu bieten, sollten solche Sensoren ohne Kabel betrieben werden. Auf diese Weise können sie problemlos am idealen Standort in bestehenden Häusern eingesetzt werden. Mit drahtloser Kommunikation wie Wi-Fi oder Bluetooth ist die Datenkommunikation heutzutage kein großes Problem mehr. Allerdings benötigt jeder Sensor Strom. Diesen bereitzustellen, ist für die meisten Anwendungen nach wie vor eine Herausforderung.
Es werden Energiegewinnungssysteme mit herkömmlichen Photovoltaikzellen verwendet, aber Akkus sind immer noch die bevorzugte Wahl. Das größte Problem bei Smart-Home-Systemen ist die Akkulaufzeit. Damit einfache Akkus praktisch und Photovoltaikzellen kosteneffizient sind, brauchen Sensoren hocheffiziente Stromversorgungen. Sowohl der Standby-Strom als auch die Effizienz bei Volllastbetrieb sind für die Gestaltung eines jeden Smart-Home-Systems von entscheidender Bedeutung.
Hocheffiziente Stromversorgung mit einem Einzelzellen-Aufwärtswandler
Eine einfache Möglichkeit, einen verteilten Sensor mit Strom zu versorgen, ist die Verwendung einer Primärzelle, bei der es sich um eine nicht wiederaufladbare Einwegbatterie handelt. Solche Batterien bieten einen guten Kompromiss zwischen Schaltungskosten, Hardwarekomponenten und Betriebskosten (zum Beispiel Kosten und Aufwand für den Austausch oder das Aufladen von Batterien). In der Regel liefern solche Primärzellenbatterien eine Spannung von 1,5 V. Dies ist der Fall, wenn die Batterien noch neu sind. Nach der Entladung sinkt die Batteriespannung auf Werte unter 0,8 V. Unterschiedliche Zellchemien weisen während ihres Entladezyklus unterschiedliche Spannungskurven auf. Im Allgemeinen verfügen Batterien jedoch kaum noch über nutzbare Energie, wenn die Spannung auf unter 0,8 V fällt.
Viele elektronische Schaltkreise setzen eine höhere Betriebsspannung als 0,8 V voraus. Um die Versorgungsspannung besser an die Betriebsspannung anzupassen, können mehrere Batteriezellen in Reihe geschaltet werden. Mehrere Zellen kosten jedoch mehr Geld und benötigen mehr Platz als nur eine Batteriezelle. Aus diesem Grund gibt es sehr effiziente Aufwärts-Regler, die eine typische Primärbatteriezellenspannung im Bereich von 0,8 V bis 1,5 V auf eine Spannung erhöhen, mit der eine Smart-Home-Anwendung tatsächlich versorgt werden kann, zum Beispiel 3,3 V oder sogar 5 V. Bild 1 zeigt einen solchen kleinen Aufwärtswandler mit dem MAX18000.
Diese Schaltung ist kompakt und benötigt nur wenige externe Komponenten. Der DC/DC-Wandler-IC selbst wird in einem 1,07 mm × 1,57 mm großen Gehäuse geliefert. Der Aufwärtswandler ist mit zwei internen 3,6-A-Schaltern ausgestattet. Der Ruhestrom beträgt nur 512 nA, während die Ausgangsspannung bereitsteht. Der Spitzenwirkungsgrad ist bei 95 Prozent und der Wirkungsgrad bei geringer Last und mit einem Laststrom von mehr als 20 µA noch bei über 90 Prozent. Der Eingangsspannungsbereich liegt zwischen 0,5 V und 5,5 V, wodurch sehr niedrige Batteriespannungen wie 0,8 V auf nützliche höhere Systemspannungen angehoben werden können.
Hocheffiziente Stromversorgung mit einem Abwärts-Aufwärts-Wandler
Andere Sensoranwendungen werden mit mehreren Batteriezellen oder möglicherweise einer Lithium-Ionen-Batterie betrieben. Solche Spannungen sind etwas höher als die im obigen Beispiel. Typische Werte liegen bei etwa 3,7 V im Zustand einer voll aufgeladenen Lithium-Ionen-Batterie. Beim Entladen der Zellen beträgt die Spannung etwa 2,8 V, bevor die in einer solchen Zelle gespeicherte Energie aufgebraucht ist.
Dieser Spannungsbereich von 2,8 V bis 3,7 V erfordert eine Abwärts-Aufwärts-Lösung, um eine Nennspannung von 3,3 V zu erzeugen, mit der die übliche Schaltkreiselektronik für einen typischen Sensor betrieben werden kann. Aus diesem Grund wurden Abwärts-Aufwärts-Wandler mit dem Aufkommen von Lithium-Ionen-Batterien besonders beliebt.
Ein ähnlicher Bedarf besteht bei der Verwendung von drei Primärzellenbatterien mit 1,5 V in Reihe. Insgesamt liefern sie bei voller Ladung 4,5 V, aber wenn sie fast entladen sind, stellen die Batterien nur noch etwa 2,4 V zur Verfügung. Um wieder 3,3 V für den Sensor zu erzeugen, ist eine Abwärts-Aufwärts-Lösung erforderlich.
Bild 2 zeigt eine Abwärts-Aufwärts-Lösung mit dem MAX77837. Diese Technologie erfordert nur wenige externe Komponenten, wodurch die erforderliche Leiterplattenfläche sehr klein ist. Außerdem ist der Chip selbst in einem sehr kleinen Gehäuse mit einer Größe von nur 1,84 mm × 1,03 mm untergebracht. Wenn ein Sensorhersteller ein Gehäuse mit einem größeren Abstand zwischen den Pins verwenden möchte, steht ein 2,5 mm × 2 mm großes QFN-Gehäuse zur Verfügung.
Damit die Batterie so lange wie möglich hält, benötigt diese Lösung typischerweise nur einen Ruhestrom von 430 nA. Im ausgeschalteten Zustand verbraucht der Stromwandler-IC lediglich 10 nA. Dies kann für Anwendungen nützlich sein, bei denen sich neben der Hauptbatterie ein Energiespeicherkondensator befindet. Der Gleichstromwandler kann dann für eine gewisse Zeit in einen Abschaltmodus versetzt werden, bevor er sich reaktiviert und den Kondensator wieder auflädt. Ein solches Schema kann im Laufe der Zeit zu zusätzlichen Energieeinsparungen führen und die Betriebszeit mit einer bestimmten Batterie sogar noch verlängern.
Vereinfachte Designarbeit durch Schaltkreissimulation
Beim Entwurf eines batteriebetriebenen Sensors ist es wichtig, grundlegende Fragen zu den Fähigkeiten und Grenzen des Stromkreises zu beantworten. Schaltkreiskalkulation und -simulation sind in dieser Phase wertvoll, da sie Zeit sparen und das Risiko verringern, ein Hardware-Design mit einem ungeeigneten integrierten Schaltkreis zu beginnen. Für den Einstieg bietet Analog Devices das kostenlose EE-Sim Power Tool an. Mit diesem Tool müssen Nutzer nur Eingangsspannung, Ausgangsspannung und Stromanforderungen eingeben und schon wird in kürzester Zeit ein geeigneter Schaltkreis berechnet. Bild 3 zeigt ein Beispiel für das Ergebnis einer Schaltkreissimulation im EE-Sim Power Tool.
Auf der Grundlage dieser Schaltkreisberechnung und der tatsächlichen externen Komponenten kann eine Schaltkreissimulation inklusive Wellenformen verschiedener Spannungen und Ströme durchgeführt werden. Auch erweiterte Simulationen wie Lasttransiente, Übertragungsfunktion der Regelschleife, Leitungstransiente und Effizienz sind möglich.
Theorie und Simulation sind wichtig, aber die reale Hardware kann ganz anders aussehen. Neben Evaluierungsplatinen für einzelne Leistungswandler stehen komplette, praktische Sensorsysteme zur Evaluierung zur Verfügung. Eines davon ist das Rauchmeldesystem: Bild 4 zeigt den MAX77837 und den ADP162 zur Stromversorgung eines kompletten Rauchmelders, der aus dem integrierten optischen Modul ADPD188BI zur Raucherkennung sowie dem MAX32660 mit einem Rauch- und Feuererkennungsalgorithmus und dem digitalen Temperatursensor MAX31875 besteht.
Alle Designdateien können hier heruntergeladen werden und bieten einen einfachen Weg zur Erstellung eines hochwertigen Smart-Home-Sensors mit Nanopower-Eigenschaften. Diese vollständig optimierte und verifizierte Sensorhardware enthält die erforderliche Software und demonstriert die Fähigkeiten der Energieverwaltungsschaltung.
Fazit
Energieverwaltung ist für das Smart Home von entscheidender Bedeutung. Sie gewährleistet eine hocheffiziente Energieumwandlung und verlängert die Laufzeit kleiner, kostengünstiger Batterien. Diese Sensoren bieten zahlreiche Funktionen, darunter eine robuste Konnektivität. Heutzutage benötigen Abwärts-, Aufwärts- und Abwärts-Aufwärts-Wandler einen extrem niedrigen Ruhestrom, um batterie- oder energieautarke Systeme für viele Sensoranwendungen realisierbar zu machen.
Innovationen bei Halbleiterprozessen und dem Design integrierter Schaltkreise machen dies möglich. Und das ist erst der Anfang. Es werden zahlreiche weitere Innovationen folgen, die noch intelligentere Sensoren im vernetzten Zuhause ermöglichen, die alle von Fortschritten im Energiemanagement angetrieben werden.
Der Autor
Frederik Dostal
ist Power Management Expert bei Analog Devices.
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