Power Management voor energy harvesting

Met groot spanningsbereik en koude start vanaf 100 mV

Het in Wallonië gevestigde bedrijf e-peas heeft zich gespecialiseerd in energy harvesting en levert diverse opties om met een zo groot mogelijke opbrengst energie uit diverse bronnen te putten. Om dit mogelijk te maken, zijn regelaars nodig die met een zo hoog mogelijk rendement energie weten te oogsten om daarmee een accu te laden en een applicatie te voeden. Nieuw is hun AEM20940. Dit IC past ultra-low power-technologie toe op het oogsten van energie uit thermische bronnen.

Het door het Belgische bedrijf e-peas ontwikkelde nieuwe IC is bedoeld voor geoptimaliseerd energiebeheer voor het oogsten van energie uit thermische bronnen met als doel deze gewonnen energie toe te passen voor draadloze sensoren. Juist voor deze toepassing kan het heel handig zijn om onafhankelijk te zijn van netvoeding of het gebruik van battijen. Sensoren kunnen dan jaren lang op afgelegen plekken hun werk doen zonder dat er geregeld onderhoud nodig is.
De AEM20940 is een zeer geavanceerd IC in een ruimtebesparend 28-pins QFN-behuizing. Het IC is ontwikkeld op basis van door e-peas ontwikkelde technologieën waarmee men in staat is om beschikbare energie te oogsten tot een niveau van 110 mA. Daarbij heeft men in dit IC het regelmechanisme geoptimaliseerd voor het toepassen van thermische elektrische generatoren (TEG’s of ook wel Peltier elementen).
De regelaar houdt toezicht op de opslag van energie in een herlaadbaar element (accu, Supercap of gewone condensator) en tegelijkertijd kan hij twee verschillende gereguleerde spanningen leveren. Twee ingebouwde low drop regelaars leveren spanningen van 1,2/1,8 V en 1,8/2,5/3,3 V.
De lage uitgangsspanning kan worden gebruikt voor het voeden van de sensorelektronica en de microcontroller en de hogere spanning voor de HF-zendontvanger. Daarnaast kan er ook nog een niet oplaadbare batterij op het IC aangesloten worden om de voeding van de applicatie te garanderen als de geoogste energie even niet beschikbaar is. Afbeelding 1 toont een blokschema hoe het IC gebruikt kan worden.

Lege accu
Door de inzet van de AEM20940 is het mogelijk om de levensduur van de batterij van het systeem te verlengen of in veel gevallen de primaire stroombron volledig uit het systeem te verwijderen. Hierdoor kan eventuele afhankelijkheid van het regelmatig vervangen van batterijen (die vaak ernstige logistieke uitdagingen met zich meebrengen) worden voorkomen. Een belangrijk kenmerk van het IC zijn de opstartkarakteristieken met ultra-laag vermogen. Als er geen energie meer beschikbaar is, dan is na verloop van tijd zowel de accu als de primaire batterij leeg en werkt de schakeling niet meer. Als de te oogsten energie weer beschikbaar is, moet het IC weer opstarten om de accu te kunnen laden. Standaard is daar een spanning van 380 mV voor nodig, maar met een externe opstartregelaar kan de koude start verlaagd worden naar 100 mV met een ingangsvermogen van 80 μW. Geavanceerde energiebeheerfuncties maken daarbij het snel kunnen laden van supercondensatoren mogelijk en waarschuwen wanneer de opgeslagen energiereserves bijna op zijn.