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Energy harvesting: LTC3108 - Trovato l'anello mancante

Energy harvesting: LTC3108

Linear Technology ha recentemente introdotto l'LTC3108 - un convertitore di tensione ultralow step-up e power manager specificamente progettato per semplificare raccolta e gestione dei surplus di energia da fonti di ingresso a bassa tensione come termopile, generatori termoelettrici (TEGs) e anche piccoli pannelli solari.

La sua topologia step-up funziona con tensioni di ingresso a partire da 20 mV. Ciò è significativo in quanto permette all’ LTC3108 di raccogliere l'energia da un TEG con un minimo di 1°C di cambiamento di temperatura - a volte si fatica a raggiungere l’obiettivo a causa delle alte correnti di stasi.

Il circuito mostrato in Figura 2 utilizza un piccolo trasformatore step-up per aumentare la fonte di tensione in ingresso in un LTC3108 che fornisce quindi una soluzione completa per la gestione dell'alimentazione per il rilevamento wireless e l’acquisizione dei dati. Esso può immagazzinare differenze di temperatura di raccolta e di alimentazione minime e generare un sistema di energia invece di usare la carica della batteria tradizionale.

L'LTC3108 utilizzato in una applicazione wireless a sensore remoto alimentato da un TEG

Figura 2. L'LTC3108 utilizzato in una applicazione wireless a sensore remoto alimentato da un TEG (Peltier Cell).

 

L'LTC3108 utilizza una modalità di esaurimento MOSFET N-Channel switch per formare un oscillatore risonante di step-up esterno utilizzando un trasformatore step-up e un piccolo condensatore di accoppiamento. Questo permette di aumentare tensioni di ingresso basse come 20mV in modo da fornire tensioni di uscita multiple per l'alimentazione di altri circuiti. La frequenza di oscillazione è determinata dalla induttanza del trasformatore secondario ed è di solito nel raggio da 20 kHz a 200 kHz.

Per tensioni di ingresso a partire da 20 mV, con un rapporto giri primario-secondario di circa 1:100 è raccomandato. Per tensioni di ingresso più alte, può essere utilizzato rapporto più basso. Questi trasformatori sono standard, componenti off-the-shelf, e sono immediatamente disponibili presso i fornitori. Il nostro MOSFET N-Channel è ciò che rende possibile il funzionamento 20mV.

Come si può vedere in figura 3, l'LTC3108 prende un "livello di sistemi" di approccio per risolvere un problema complesso. E 'possibile convertire una sorgente a bassa tensione e gestire l'energia tra le uscite multiple.

La tensione alternata prodotta con l'avvolgimento del trasformatore secondario è potenziata e reindirizzata da un condensatore a carica esterna (dal secondario al pin C1) e il raddrizzatore interno al LTC3108. Questo circuito reindirizzante di corrente si alimenta dal capacitor VAUX, fornendo carica al condensatore VAUX esterno e quindi alle altre uscite.

Il 2.2V LDO interno può supportare un processore a basso consumo o altri circuiti integrati a bassa potenza. L’ LDO è alimentato dal valore più alto sia del VAUX che del VOUT. Ciò gli permette di attivarsi non appena il VAUX, ha raggiunto una carica di 2.3V, mentre il condensatore VOUT è ancora in carica. In caso di una carica in uscita dell’ LDO, la corrente può venire dal condensatore VOUT principale se il VAUX scende al di sotto del VOUT. L'output LDO può fornire fino a 3mA.

Diagramma_LTC3108

Figura 3. Diagramma dell'LTC3108

La tensione di uscita principale del VOUT è caricata dalla rete VAUX ed è programmabile dall'utente ad uno delle quattro tensioni regolate utilizzando i pin di tensione VS1 e VS2. Le quattro tensioni fisse sono: 2.35V per supercapacitori, 3.3V per i condensatori standard, 4,1 V per la batteria agli ioni di litio o 5V per lo stoccaggio di energia più elevata e un sistema principale per l’alimentare un trasmettitore senza fili o sensori - eliminando così la necessità di resistenze esterne multi-meg-Ohm. Come risultato, l’ LTC3108 non necessita di rivestimenti speciali per ridurre al minimo le perdite, come ad esempio i progetti discreti dove sono richieste resistenze di valore molto elevato.

Una seconda uscita, VOUT2, può essere attivata e disattivata dal microprocessore host utilizzando il pin VOUT2_EN. Quando è abilitato, il VOUT2 è collegato al Vout attraverso uno switch MOSFET a canale-P. Questa uscita può essere utilizzata per i circuiti di alimentazione esterni come sensori o amplificatori che non hanno sleep a bassa potenza o capacità di arresto. Un esempio sarebbe quello di accendere e spegnere un MOSFET come parte di un circuito di rilevamento all'interno di un edificio termostatico.

Il condensatore VSTORE può essere un valore molto grande (in migliaia di microfarad o anche Farad), per fornire holdup nei momenti in cui la potenza in ingresso può venire meno. Una volta che il Power-up è stato completato, le uscite di backup e acceso principali sono disponibili. Se la potenza viene meno, il funzionamento può continuare, con il condensatore VSTORE off. L'uscita VSTORE può essere utilizzata per caricare un grande condensatore o una batteria ricaricabile dopo che VOUT ha raggiunto la regolazione. Una volta VOUT ha raggiunto la regolazione, l'uscita VSTORE potrà caricarsi fino ad un voltaggio Vaux, fissato a 5.3V. Non solo è possibile usare l'elemento di storage su VSTORE per alimentare il sistema se la sorgente di ingresso è persa ma può anche essere utilizzato per integrare l'attuale richiesta dal VOUT, VOUT2 e le uscite LDO se la fonte di ingresso presenta un’ energia insufficiente.

Un comparatore con buona potenza controlla la tensione Vout. Una volta che il VOUT è a carico entro il 7% della sua tensione regolata, l'uscita PGOOD aumenterà. Se il VOUT scende oltre il 9% della sua tensione regolata, PGOOD diminuirà. L'uscita PGOOD è stata progettata per guidare un microprocessore o altri chip di I / O e non è destinata a guidare un carico maggiore di corrente come un LED.

Energy harvesting: LTC3108 - Conclusione

In sintesi, l'energy harvesting dall’LTC3108, il convertitore DC-DC step-up e responsabile del sistema è un dispositivo rivoluzionario che trae energia da celle solari, generatori termo-elettrici o altre fonti termiche analoghe. La sua unica topologia di convertitore risonante di potenza permette di avviarsi a una tensione estremamente bassa di ingresso 20mV. La sua alta integrazione, compreso il controllo di gestione dell'alimentazione e componenti off-the-shelf esterni, lo rendono il più piccolo, più semplice e di facile soluzione da utilizzare per completare la catena di energy harvesting.

 

 

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