ПЕРЕТВОРЮВАЧ ДЛЯ ЗБИВАЧІВ СОНЯЧНОЇ ТА ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ З МІНІМАЛЬНОЮ ВХІДНОЮ НАПРУГОЮ 0.8 В

Енергозбирачі призначені для перетворення механічної, теплової, оптичної, електромагнітної та інших видів енергії на електричну. Збір енергії, її акумулювання та використання для живлення електронних систем дозволяє збільшити тривалість їхньої роботи, яка може значно перевищувати термін служби одноразових джерел живлення. Можливість одночасного використання різних видів енергії, наприклад теплової та сонячної, дозволяє розширити сферу застосування таких пристроїв.

Для збору енергії в енергозбирачах використовуються різні технології перетворення. Наприклад, для використання енергії вібрації застосовуються п’єзоелектричні перетворювачі, для акумулювання сонячної енергії — фотоелектричні, теплової — термоелектричні. Таким чином, енергозбирачі — це пристрої, що забезпечують перетворення різних видів енергії на напругу або струм для живлення приладів чи заряджання акумуляторів. На рис. 1 наведено типову структуру енергозбирача.

Приклади застосування енергозбирачів

Одним із прикладів можливого використання енергозбирачів в автомобілях є системи контролю тиску в шинах (Tire Pressure Monitoring System — TPMS), у яких датчики тиску встановлюються безпосередньо в кожному колесі та живляться від батарей. Застосування енергозбирачів дозволяє значно подовжити термін служби такого датчика без заміни джерела живлення.

В імплантованих медичних приладах, безпілотних літальних апаратах, а також в іншому обладнанні, під час роботи якого виключається можливість втручання обслуговуючого персоналу, застосування енергозбирачів дозволяє підвищити надійність і термін служби таких пристроїв. Крім того, сама людина є джерелом як теплової, так і механічної енергії, яку можна використовувати в низці застосувань.

Мікросхема LTC3106

Провідні виробники (Analog Devices, Spansion, STMicroelectronics, Texas Instruments та ін.) випускають інтегральні мікросхеми (ІМС) для використання в енергозбиральних пристроях. Розглянемо коротко інформацію про ІМС LTC3106 (Analog Devices), призначену для роботи з перетворювачами сонячної та теплової енергії .

Основні параметри ІМС LTC3106

• два входи понижувального перетворювача з використанням технології PowerPath™ Manager;

• мінімальна пускова напруга 850 мВ;

• 300 мВ при використанні резервного джерела;

• сумісність зі звичайними або перезаряджуваними резервними батареями;

• вибір VOUT і VSTORE подачею керувального коду на два входи керування;

• контроль точки максимальної потужності;

• низький струм спокою, не більше 1,6 мкА;

• регульована вихідна напруга;

• вбудований зарядний пристрій резервного акумулятора;

• функція відключення в режимі сну датчика для збереження заряду батареї;

• можливість роботи в пакетному режимі;

• індикатор нормальної вихідної напруги сигналом Power Good;

• вибирана межа пікового струму навантаження від 90 до 650 мА;

• корпус QFN-16 або TSSOP-20;

• діапазон робочих температур від –40 до +125 °C.

Особливості роботи LTC3106

LTC®3106 — це підвищувальний DC/DC-перетворювач наднизької напруги з автоматичним керуванням PowerPath, оптимізований для багатоканальних малопотужних систем.

Без навантаження LTC3106 споживає лише 1,6 мкА під час формування вихідної напруги до 5 В від будь-якого вхідного джерела. Якщо основне джерело живлення недоступне, LTC3106 плавно перемикається на резервне джерело живлення.

LTC3106 сумісний як із перезаряджуваними, так і з первинними акумуляторними батареями та може підзаряджати резервну батарею щоразу, коли є надлишок енергії.

Контроль точки максимальної потужності забезпечує ефективну передачу потужності від джерела живлення до навантаження. Вихідна напруга та резервна напруга VSTORE програмуються подачею керувального коду на входи OS1 та OS2, що скорочує необхідну кількість зовнішніх компонентів. Відповідність коду на входах OS1 та OS2 вихідній напрузі наведено в табл. 1.

Режим із нульовим енергоспоживанням гарантує, що резервна батарея залишиться зарядженою, якщо залишити її підключеною до LTC3106 протягом тривалого часу.

Таблиця 1. Вибір вихідної напруги за допомогою комутації виводів OS1 та OS2

Типова схема підключення

Функціональну схему LTC3106 можна знайти в . Типову схему ввімкнення ІМС наведено на рис. 2. Залежності ККД та втрат потужності залежно від значення вхідної напруги (VIN) і напруги резервної батареї (VSTR) наведено на рис. 3. Літерами P.L. позначено втрати потужності (Power Loss).

На рис. 4 показані часові діаграми напруги на виході сонячної батареї та на виході енергозбирача.

При підключенні навантаження на виході з’являється завада в моменти часу, що відповідають заряджанню вихідного конденсатора, що може потребувати використання фільтра придушення завад.

Робота захисту UVLO

В ІМС передбачене блокування роботи від вхідного джерела енергії при зниженій напрузі (UVLO). Для роботи з дуже низькою напругою VIN напруга на виводі RUN, що подається від зовнішнього джерела (наприклад, через резистивний подільник від резервної батареї), повинна перевищувати 600 мВ. У цьому випадку ІМС зберігає працездатність при вхідній напрузі аж до 250 мВ.

Нижче цього порога джерело вхідної напруги відключається і переходить у режим VSTORE/VCAP (тобто живлення ІМС здійснюється від резервної батареї). Як тільки напруга VIN перевищить значення 300 мВ, живлення ІМС знову здійснюватиметься через вхід VIN.

Накопичення енергії

Зібрана енергія може зберігатися на вхідному конденсаторі, вихідному конденсаторі або, якщо він підключений, в акумуляторі резервного зберігання, під’єднаному до виводу VSTORE. Після встановлення вихідної напруги будь-яка надлишкова енергія накопичується на вхідному конденсаторі (акумуляторі), і його напруга збільшується.

Якщо ввімкнений режим заряджання через вхід VSTORE (вивід Pri заземлений), надлишкова енергія спочатку використовуватиметься для підзаряджання резервного джерела живлення, а потім для накопичення енергії на вхідному конденсаторі.

У наведено співвідношення та рекомендації щодо розрахунку і вибору ємності та типу вхідних і вихідних конденсаторів.

Вимоги до конденсаторів

Якщо на виводі VIN напруга нижча за 600 мВ, живлення внутрішніх кіл керування в ІМС здійснюється від резервної батареї. Щоб звести до мінімуму пульсації напруги на виводі VSTORE та забезпечити правильну роботу мікросхеми, якомога ближче до виводу VCAP слід розташувати обхідний конденсатор із низьким ESR (еквівалентним послідовним опором) номіналом не менше 4,7 мкФ.

Доріжки, що з’єднують цей конденсатор із виводом VCAP та заземленням, повинні бути максимально короткими. У випадках, коли послідовний опір батареї великий, може знадобитися вхідний конденсатор більшої ємності, що зазвичай і рекомендується.

У таких застосуваннях електролітичний конденсатор із низьким ESR та ємністю від 47 мкФ до 100 мкФ, з’єднаний паралельно з керамічним конденсатором 1 мкФ, зазвичай забезпечує необхідне рішення.

Додаткова інформація

У наведено графіки залежностей ККД та втрат потужності при різних вихідних напругах під час зміни вхідної напруги в широких межах. Також наведено схеми підключення LTC3106 у різних режимах роботи. Там само міститься детальний опис роботи ІМС.

ЛІТЕРАТУРА
1.https://www.analog.com/media/en/technicaldocumentation/data-sheets/3106f.pdf