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“測定と制御に必要な超低電力ワイヤレス センサーの普及と、新しいエネルギー ハーベスティング技術の使用により、バッテリではなくローカル環境エネルギーで駆動される完全自律型システムの作成が可能になりました。

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測定と制御に必要な超低電力ワイヤレス センサーの普及と、新しいエネルギー ハーベスティング技術の使用により、バッテリではなくローカル環境エネルギーで駆動される完全自律型システムの作成が可能になりました。

これは、バッテリの交換や保守が不便、高価、または危険な場合に明らかな利点です。収集されたエネルギーで駆動されるセンサー ノードは、ビルディング オートメーション、ワイヤレス/自動測定、プロアクティブ メンテナンス、およびその他の多くの産業、軍事、自動車、および消費者向けアプリケーションで使用できます。エネルギー ハーベスティングの利点は明らかですが、効果的なエネルギー ハーベスティング システムには、微量の自由エネルギーをワイヤレス センサー システムで使用可能な形式に変換するインテリジェントな電源管理回路が必要です。

それはデューティサイクルの問題に要約されます

多くのワイヤレス センサー システムは、平均消費電力が非常に低いため、収集されたエネルギーによって電力を供給される主要なオブジェクトになっています。センサー ノードはゆっくりと変化する物理量を監視するためによく使用されるため、測定の頻度を低くすることができ、測定データを頻繁に送信する必要はありません。そのため、センサー ノードは非常に低いデューティ サイクルで動作するため、平均電力要件も小さくなります。たとえば、センサー システムが動作中に 3.3V/30mA (100mW) を必要とするが、10 秒ごとに 10ms しかアクティブにならない場合、必要な平均電力はわずか 0.1mW です。数 uA に低下します。

電源管理: エネルギー ハーベスティングにおけるこれまでのミッシング リンク

uW の電力しか消費しないマイクロプロセッサとアナログ センサー、および小型、低コスト、低電力の RF トランシーバーが広く採用されています。実用的なエネルギー ハーベスティング システムを実装する場合、ミッシング リンクは常に、1 つまたは複数の一般的な自由エネルギー源から動作できる電力コンバーター/電力管理のビルディング ブロックです。 20mV という低い入力電圧から起動できる LTC3108 の機能は、熱エネルギー ハーベスティングのミッシング リンクを埋めます。 3mm x 4mm x 0.75mmの12ピンDFNまたは16ピンSSOPパッケージに収納されたLTC3108は、温度差(µT)が最小の熱電発電機(TEG)を備えたワイヤレス・センサーに電力を供給するコンパクトでコンパクトで効率的な方法を提供します。 1°C. シンプルで高度に統合された電源管理ソリューション。

図1を参照すると、LTC3108は小さな昇圧トランスと内部MOSFETを使用して共振発振器を形成しています。 1:100のトランス昇圧比により、コンバータは20mVという低い入力電圧で起動できます。トランスの 2 次巻線はチャージ ポンプと整流回路に給電し、IC に電力を供給して出力コンデンサを充電します。 2.2V LDO の出力は、マイクロプロセッサにできるだけ早く電力を供給するために、最初に定常状態になるように設計されています。メイン出力コンデンサは、VS1 ピンと VS2 ピンによって設定された電圧 (2.35V、3.3V、4.1V、または 5.0V) まで充電され、センサー、アナログ回路、または RF トランシーバーに電力を供給します。 VOUT ストレージ コンデンサは、ワイヤレス センサーが動作してデータを送信するときに必要なエネルギーのバーストを提供し、したがって、低デューティ サイクルの負荷パルスを提供します。スイッチ出力(VOUT2)も提供されており、シャットダウンまたはスリープモードなしで回路に電力を供給します。パワーグッド出力は、メイン出力電圧が安定値に近づいていることをホストに警告します。 VOUT がレギュレーション状態になると、収集された電流が VSTORE ピンに送られ、オプションのストレージ コンデンサまたは充電式バッテリが充電されます。エナジー ハーベスティング電源が断続的な場合、このストレージ コンポーネントを使用してシステムに電力を供給することができます。 LTC3108 と同じデバイスの LTC3108-1 バージョンもありますが、選択可能な出力電圧のセットが異なります (2.5V、3.0V、3.7V、または 4.5V)。
　

図1：LTC3108のブロック図

熱電発電機の基礎

熱電発電機 (TEG) は、実際には逆に動作する熱電冷却器 (TEC) です。熱電発電機は、ゼーベック効果を使用して、(熱が流れる) デバイス全体の温度差を電圧に変換します。出力電圧の大きさと極性は、TEG 両端の温度差の大きさと極性に依存します。 TEG のホット端子とコールド端子を逆にすると、出力電圧の極性が変わります。 TEG は、温度依存の電圧源モデルと直列抵抗 (AC 抵抗として指定) で表すことができます。

TEG にはさまざまなサイズと電気仕様があります。ほとんどのモジュールは正方形で、一辺の長さは 10mm から 50mm で、標準的な厚さは 2mm から 5mm です。それらの開回路出力電圧はサイズによって異なり、10mV/K ～ 50mV/K の範囲です。一般に、モジュールが大きいほど、特定の ΔT に対して VOUT が大きくなりますが、AC インピーダンスが高くなり、熱抵抗が低くなります。特定のアプリケーションの場合、必要な TEG サイズは、使用可能な ΔT、負荷に必要な最大平均電力、および TEG の片側を冷却するために使用されるヒートシンクの熱抵抗によって異なります。

TEG から利用可能な最大電力を引き出すには、コンバータの入力インピーダンスが、TEG の AC 抵抗に対して妥当な負荷整合を提供する必要があります。 LTC3108コンバータの入力インピーダンスは約2.5Ωで、これはほとんどのTEG AC抵抗の範囲(0.5Ω～7.5Ω)のちょうど真ん中です。

考慮すべき熱の問題

TEG を暖かい表面に置いてエネルギーを収集する場合、熱を周囲の空気に伝達できるように、TEG の低温側にヒートシンクを追加する必要があります。ヒートシンクの熱抵抗により、TEG の熱抵抗が比較的低い (通常 1°C/W ～ 20° C /W範囲）。

図 2 に示す単純な熱モデルを参照して、周囲温度 25°C、表面温度 35°C で動作する大型機械の次の例を考えてみましょう。 TEG をマシンに接続し、TEG の冷却側 (周囲) にヒートシンクを追加します。
　　

図 2: TEG とヒートシンクの単純な熱モデル

ヒートシンクと TEG の熱抵抗によって、10℃の全温度差 (?T) のどの部分が TEG に存在するかが決まります。熱源の熱抵抗 (RS) が無視できると仮定すると、TEG の熱抵抗 (RTEG) が 4°C/W で、ヒートシンクの熱抵抗 (RHS) も 4°C/W の場合、その場合、ΔT はわずか 5°C です。

大きな TEG は表面積が大きくなるため、小さな TEG よりも熱抵抗が低く、大きなヒートシンクが必要になります。サイズやコストの制約により比較的小さなヒートシンクを使用する必要があるアプリケーションでは、小さな TEG の方が大きな TEG よりも多くの出力電力を提供できます。 TEG の熱抵抗以下の熱抵抗を持つヒートシンクは、TEG 全体の温度差を最大化し、電気出力を最大化します。

パルス負荷アプリケーションの設計例

TEG を利用した典型的なワイヤレス センサー アプリケーションを図 3 に示します。この例では、TEG 全体で少なくとも 4°C の温度差が利用できるため、最高の出力電力を達成するために 1:50 のトランス昇圧比が選択されました。

図 3: ワイヤレス センサー アプリケーションの例

LTC3108 は、標準的なワイヤレス センサーに必要な複数の出力を提供します。 2.2V LDO出力はマイクロプロセッサに電力を供給し、VS1ピンとVS2ピンを使用してVOUTを3.3Vに設定し、RFトランスミッタに電力を供給します。スイッチ VOUT (VOUT2) はマイクロプロセッサによって制御され、必要な場合にのみ 3.3V センサーに電力を供給します。 VOUT がレギュレーションの 93% に達すると、PGOOD 出力がマイクロプロセッサに信号を送ります。入力電圧がない場合に動作を維持するために、バックグラウンドで VSTORE ピンから 0.1F のストレージ コンデンサが充電されます。このコンデンサは、VAUX シャント レギュレータの 5.25V クランプ電圧まで充電できます。入力電圧源が失われると、IC に電力を供給し、VLDO と VOUT を安定に保つために、蓄電コンデンサによってエネルギーが自動的に供給されます。

COUT 蓄電コンデンサは、10ms の持続時間で 15mA の総負荷パルスをサポートし、負荷パルス中に VOUT で 0.33V の降下を許容するように、次の式に従ってサイズが決定されます。 IPULSE には VLDO と VOUT2、および VOUT の負荷が含まれますが、充電電流は負荷に比べて非常に小さい可能性があるため含まれないことに注意してください。

これらの要件を念頭に置いて、C は少なくとも 454µF でなければならないため、470F のコンデンサが選択されました。

5°K ?T で動作する図の TEG (および適切なサイズのヒートシンク) を使用すると、LTC3108 は 3.3V で約 560?A の平均充電電流を供給します。このデータを使用して、VOUT ストレージ コンデンサを最初に充電するのにかかる時間と、回路がパルスを発する頻度を計算できます。充電段階で VLDO と VOUT の負荷が非常に小さいと仮定すると、VOUT の初期充電時間は次のようになります。

送信パルス間の負荷電流が非常に小さいと仮定すると、最大送信速度を見積もる簡単な方法は、LTC3108から得られる平均出力電力（この場合は3.3V×560μA = 1.85mW）で割ることです。パルス (この場合は 3.3V ~ 15mA = 49.5mW)。コレクタがサポートできる最大デューティ サイクルは、1.85mW/49.5mW = 0.037 または 3.7% です。したがって、最大脈拍数は 0.01/0.037 = 0.27 秒、つまり約 3.7Hz です。

平均負荷電流 (送信レートによって決まる) がコレクタがサポートできる最大電流である場合、蓄電コンデンサを充電するための収集エネルギーが残っていないことに注意してください。したがって、この例では、送信レートは 2Hz に設定され、利用可能なエネルギーのほぼ半分を蓄積コンデンサの充電に残します。 VSTORE コンデンサによって提供される蓄積時間は、次の式を使用して計算されます。

上記の計算には、LTC3108が必要とする6uAの自己消費電流が含まれており、送信パルス間の負荷が最小であると仮定しています。ストレージ コンデンサが完全に充電されると、2Hz の送信レートで 637 秒間、または合計 1274 送信パルスの負荷をサポートできます。

熱回収アプリケーションには自動極性が必要

一部の熱回収アプリケーション (ワイヤレス HVAC センサーや地熱発電センサーなど) では、TEG の T の極性が変化する可能性があるため、非常に低い入力電圧だけでなく、いずれかの極性でも動作するパワー マネージャーが必要です。

LTC3109 は、この課題を克服するのに適した唯一のデバイスです。 LTC3109 は、1:100 の昇圧比を持つ 2 つのトランスを使用して、±30mV という低い入力電圧で動作できます。 LTC3109 は、LDO、デジタル プログラム可能な出力電圧、パワー グッド出力、スイッチング出力、エネルギー ストレージ出力など、LTC3108 と同じ機能を備えています。 LTC3109は、4mm x 4mmの20ピンQFNおよび20ピンSSOPパッケージで供給されます。自動極性アプリケーションにおけるLTC3109の標準的な例を図4に示します。図 5 に示すコンバータの出力電流対 VIN 曲線は、デバイスが入力電圧のどちらの極性でも同様に良好に動作することを示しています。
　

図 4: 自動極性アプリケーションの例

結論は

LTC3108 と LTC3109 は、20mV という低い入力電圧、またはいずれかの極性の非常に低い電圧で動作する独自の能力を備えており、一般的な熱電デバイスやその他の低電力アプリケーションを使用する熱エネルギー ハーベスティングおよびワイヤレス センサー向けのシンプルで効率的な電力管理ソリューションを提供します。 12ピンDFNまたは16ピンSSOPパッケージ（LTC3108およびLTC3108-1）および20ピンQFNまたはSSOPパッケージ（LTC3109）で入手可能なこれらの製品は、前例のない低電圧機能と高レベルの統合を提供してソリューションを最小限に抑えます。ボードエリア。 LTC3108、LTC3108-1、および LTC3109 は、既存の低電力の基本ビルディング ブロックとシームレスに接続して、自律型ワイヤレス センサー アプリケーションをサポートするために必要なすべての出力を提供します。