Energy Harvesting Extrem sparsame Schaltungen ernten und managen selbst kleinste Energiemengen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Texas Instruments hat fünf neue Power-Management-ICs vorgestellt, die im Mikrowatt- bis Milliwattbereich liegende Energiemengen aus Licht, Wärme oder mechanischen Energiequellen effizient erfassen und managen.

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Upal Sengupta: „Unsere neuen Bausteine weisen die industrieweit geringste aktive Ruhestromaufnahme auf.“
Upal Sengupta: „Unsere neuen Bausteine weisen die industrieweit geringste aktive Ruhestromaufnahme auf.“
(Bild: Texas Instruments)

„Unsere neuen Bausteine weisen die industrieweit geringste aktive Ruhestromaufnahme auf“, freut sich Upal Sengupta, Applications and Marketing Manager Battery Management Solutions bei Texas Instruments in Dallas, Texas. „Sie ermöglichen einen batterielosen Betrieb von drahtlosen Sensornetzwerken, Überwachungssystemen, am Körper tragbaren medizinischen Geräten, Mobil-Zubehör und anderen Anwendungen mit begrenztem Zugang zu Energiequellen.“

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Bei den neuen Bausteinen handelt es sich um die Boost Charger bq25570 und bq25505 sowie die Abwärtswandler TPS62740, TPS62737 und TPS62736. Muster und Entwicklungs-Kits können auf http://www.ti.com/energyharvesting-pr-eu bestellt werden.

Nano-Power-Harvesting

(Bild: Texas Instruments)
„Der Boost Charger bq25570 von TI hat einen eingebauten Abwärtswandler und kommt mit einer Ruhestromaufnahme von 488 nA aus“, erklärt Upal Sengupta. „Er bringt es bei Ausgangsströmen unter 10 µA auf mehr als 90% Wirkungsgrad und behält sein hohes Effizienzniveau auch dann, wenn nur ein Minimum an Energie zur Verfügung steht.“ Der Baustein enthält eine MPPT-Funktion (Maximum Power Point Tracking) zum Extrahieren und Managen von Energie aus Photovoltaik-Zellen und thermoelektrischen Generatoren. Er unterstützt beliebige Energiespeicher wie zum Beispiel Lithium-Ionen-Akkus, Dünnfilm-Batterien, Superkondensatoren oder konventionelle Kondensatoren. Bei langer Lagerdauer kann die Stromversorgung für den bq25570 durch eine spezielle Versand-Betriebsart (Ship Mode) deaktiviert werden, in der die Stromaufnahme unter 5 nA sinkt.

(Bild: Texas Instruments)
Laut Sengupta ähnelt der Boost Charger bq25505 dem bq25570:„Er erzielt aber eine noch geringere aktive Stromaufnahme von 325 nA und besitzt einen speziellen, autonomen Power-Multiplexor-Gatetreiber, der einen reibungslosen Systembetrieb aus Energy Harvesting-Quellen und einer Primärbatterie ermöglicht. Er gewährleistet eine ununterbrochene Stromversorgung, solange das System betriebsfähig sein muss, auch wenn vom Harvester keine Energie beigesteuert wird.“

Extrem sparsame Gleichspannungswandler

(Bild: Texas Instruments)
Zusätzlich zu den Batteriemanagement-Schaltungen stellte TI den TPS62740 vor. „Das ist der kleinste und sparsamsten Abwärtswandler für Designs mit 300 mA Ausgangsstrom“, wie Sengupta erläutert. „Er arbeitet im aktiven Betrieb mit nur 360 nA Ruhestromaufnahme, während es im Standby-Status sogar nur 70 nA sind.“

Bis 10 µA herab soll es dieser Wandler auf mehr als 90% Wirkungsgrad bringen und eine Lösung mit einer Gesamtfläche von nur 31 mm² ermöglichen. Zudem eignet er sich mit seiner programmierbaren Ausgangsspannung und seiner DCS-Control-Funktionalität für die Versorgung von Mikrocontrollern, darunter beispielsweise die extrem wenig Strom aufnehmenden Mikrocontroller der Reihe MSP430FR59xx von TI und Bluetooth Low Energy Lösungen wie die Wireless MCU SimpleLink CC2541. Der integrierte Lastschalter des TPS62740 senkt außerdem die Leistungsaufnahme von Bauelementen wie etwa LEDs oder Sensoren, die nur zeitweilig genutzt werden.

Für Designs mit geringerem Strombedarf empfehlt Sengupta die ebenfalls neuen Wandler TPS62737 für 200-mA-Designs und den TPS62736 für 50-mA-Designs: „Beide nehmen im aktiven Betrieb nur extrem geringe 370 nA und im Sleep-Modus nur 15 nA auf und erzielen bei Ausgangsströmen unter 15 µA einen Wirkungsgrad von 90%.“

Die richtigen Lösungen für das Energy Harvesting-Design

TI als der führende Anbieter von Power-Management-ICs und MCUs erschließt dem Low-Power-Design eine neue Dimension mit innovativen Produkten, die mit maximalem Wirkungsgrad und geringem Verbrauch Energie aus ihrer Umgebung beziehen können. Schon 2011 kam TI mit seinem Boost Charger bq25504 auf den Markt, dessen Ruhestromaufnahme nur 330 nA beträgt. Ebenfalls im Angebot von TI befinden sich Aufwärtswandler, Abwärtswandler und Akkulader für all jene Designs, in denen niedrige Spannungen und eine geringe Leistungsaufnahme benötigt werden.

Verfügbarkeit und Preise

Alle genannten Produkte sind bereits in Produktionsstückzahlen lieferbar und können über das weltweite Distributionsnetzwerk von TI bezogen werden. Die Bausteine bq25570 und bq25505 sind in einem 3,5 mm x 3,5 mm großen QFN-Gehäuse lieferbar und kosten 3,20 US-$ beziehungsweise 2,40 US-$ (ab 1000 Stück). Der TPS62740 im 2 mm x 3 mm messenden SON-Gehäuse und kostet 1,10 US-$ (ab 1000 Stück). Die Produkte TPS62737 und TPS62736 schließlich werden in einem 3,mm 5 x 3,5 mm großen QFN-Gehäuse zu Preisen von 1,00 beziehungsweise 0,80 US-$ (ebenfalls ab 1000 Stück) angeboten.

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