Маломасштабный сбор энергии часто является привлекательным вариантом для дополнительного питания устройств со сверхнизким энергопотреблением или низкоскоростными / малыми потребностями в рабочем цикле, таких как носимые устройства, беспроводные сенсорные узлы IoT и трекеры активности (фитнесс браслеты).
Это связано с тем, что отсутствие движущихся частей и возможность полностью изолировать и запечатать подсистему сбора энергии от окружающей среды повышает их надежность и долговечность. Но использование солнечной энергии для зарядки в условиях, когда нет возможности зарядить устройство от сети часто является серьезной проблемой на практике.
Решением этой проблемы является одно- / многоэлементный солнечный харвестер (harvester) MAX20361 с отслеживанием точки максимальной мощности (MPPT) от Maxim Integrated Products. Он обеспечивает дополнительную зарядку от солнечной батареи, обеспечивая дополнительный источник накопленной энергии, который, в свою очередь, может продлить срок службы этих устройств (схема ниже).
Maxim утверждает, что конструкция, основанная на MAX20361, занимает максимум половину пространства доступных конкурентных подходов из-за меньшего размера компонентов и использования меньшего количества внешних компонентов. Для этого требуется индуктор на 4,7 мкГн, размер которого может составлять всего 2 × 1,6 × 1,2 мм (в зависимости от производителя) в дополнение к выбору элемента накопления энергии пользователем.
Его адаптивный подход MPPT повышает общую эффективность на уровне системы до значительных 5% за счет повышения эффективности преобразования по сравнению с ближайшим конкурентом. Он сочетается с уникальным встроенным датчиком «собранной энергии» (проще говоря – счетчиком электроэнергии) для индикации текущего расхода и эффективности в режиме реального времени, чтобы оптимизировать производительность и максимизировать мощность, извлекаемую из источника. Результатом является эффективный сбор энергии в диапазоне от 15 мкВт до более 300 мВт доступной входной мощности с КПД 86% при системном напряжении 3,8 В и токе источника 30 мА.
Устройство включает в себя повышающий преобразователь со сверхнизким током покоя (360 нА), который может запускаться при входном напряжении от 225 мВ (типовое значение). Кроме того, он включает в себя программируемые пользователем пороговые значения для напряжения завершения работы батареи и выхода сигнала пробуждения при хорошем энергопотреблении, которые выполняются через интерфейс I2C.
Харвестер работает лучше всего, если взаимосвязь между источником энергии — в данном случае солнечной — и элементом накопления энергии наиболее оптимальна. MAX20361 имеет встроенную схему зарядки и защиты, оптимизированную для литий-ионных аккумуляторов, но также может использоваться для зарядки суперконденсаторов, тонкопленочных аккумуляторов или даже «традиционных» конденсаторов. Зарядное устройство имеет напряжение отключения зарядки с пороговыми значениями и температурным отключением, которые программируются через интерфейс I2C.
Подробная 32-страничная таблица данных (из официальной документации) включает информацию о физических подключениях и приложениях; описание функций, режимов работы и взаимодействия; циклы заряда / разряда; десятки графиков производительности при различных настройках; и больше. MAX20361, который поставляется в корпусе с 12 выступами, шагом 0,4 мм и размером 1,63 x 1,23 мм (WLP), стоит 23,64 доллара США (1000 штук).
Потенциальные пользователи таких микросхем, как эта, конечно, выиграют от оценочной платы. Таким образом, доступен оценочный комплект MAX20361 (57 долларов США), упрощающий изучение и настройку пользователем (рисунок ниже). Он имеет разъем Pmod, позволяющий плате адаптера USB2PMB2 обеспечивать интерфейс I2C. Программное обеспечение комплекта управляет платой адаптера USB2PMB2 через USB, который генерирует команды I2C.
В комплект входит встроенный регулируемый источник тока и монокристаллический солнечный элемент для генерации входного тока в ИС, суперконденсатор и резисторную нагрузку, а также схему контроля тока нагрузки для измерения выходного тока MAX20361. Его техническое описание включает инструкции по эксплуатации, снимки экрана, полную схему, очень подробный перечень материалов (BOM), компоновку печатной платы для всех четырех слоев и чертежи размещения компонентов для верхнего и нижнего слоев.
