Conversión de potencia baja para recolección de energía

Hay un montón de energía ambiental en el mundo alrededor de nosotros y el enfoque convencional para la recolección de energía ha sido a través de paneles solares y generadores eólicos. Sin embargo, las nuevas herramientas de recolección nos permiten producir energía eléctrica a partir de una amplia variedad de fuentes ambientales. Además, no es la eficiencia de la conversión de potencia de los circuitos lo que es importante, sino la cantidad de energía "recolectada promedio" que está disponible para alimentarlos. Por ejemplo, los generadores termoeléctricos convierten el calor en electricidad, los elementos piezoeléctricos convierten la vibración mecánica, la energía fotovoltáica convierte la luz solar (o cualquier fuente de fotones) y el galvanismo convierte la energía de la humedad. Esto hace posible alimentar sensores remotos o cargar un dispositivo de almacenamiento, como un capacitor o una batería de película delgada, de modo que un microprocesador o transmisor pueda ser alimentado desde una ubicación remota sin una fuente de alimentación local.

Sin embargo, es en el extremo "bajo" del espectro de potencia, donde la conversión NanoPower en las redes de sensores inalámbricos (WSN) y en los sensores se está volviendo más común, que los circuitos integrados (CI) de conversión de potencia que pueden funcionar con niveles muy bajos de potencia y corriente son necesarios. A menudo estos representan decenas de microvatios y nanoamperios de corriente, respectivamente. Sin embargo, la disponibilidad de dichos productos de conversión de potencia, incluidos los cargadores de baterías, que operan a sub-1 µA de corriente son extremadamente limitados.

En términos generales, las características de rendimiento de CI necesarias para la inclusión en estas aplicaciones incluyen las siguientes:

• Bajas corrientes de reposo en modo de espera: normalmente menos de 6 µA y hasta 450 nA
• Voltajes de arranque bajos: hasta 20 mV
• Capacidad de alto voltaje de entrada: hasta 34 V continuo y 40 V transitorio
• Capacidad para manejar entradas de CA
• Capacidad de salidas múltiples y administración de la alimentación del sistema autónomo
• Control de punto de máxima potencia (MPPC) para entradas solares
• Espacios compactos para soluciones con componentes externos mínimos

Las WSN son básicamente un sistema independiente que consiste en algún tipo de transductor que convierte la fuente de energía ambiental en una señal eléctrica, por lo general seguida por un convertidor CC/CC y administrador que suministra a los dispositivos electrónicos descendentes el nivel de voltaje correcto y la corriente correcta. Los dispositivos electrónicos descendentes consisten en un microcontrolador, un sensor y un transceptor.

Al tratar de implementar las WSN, una buena pregunta que debe considerar es: ¿cuánta potencia se necesita para hacerlas funcionar? Conceptualmente esto parece bastante sencillo; sin embargo, en realidad es un poco más difícil debido a una serie de factores. Por ejemplo, ¿con qué frecuencia necesita tomarse una lectura? O, más importante aun, ¿qué tan grande será el paquete de datos y cuánta potencia es necesaria para que se transmita? Esto es debido a que el transceptor consume aproximadamente el 50 % de la energía utilizada por el sistema para una sola lectura y transmisión del sensor. Hay varios factores que afectan las características de consumo de energía de un sistema de recolección de energía o WSN, y todos ellos deben ser tomados en consideración.

Por supuesto, la energía proporcionada por la fuente de recolección de energía depende del tiempo que la fuente está disponible. Por lo tanto, la métrica primaria para la comparación de las fuentes buscadas es la densidad de potencia, no la densidad de energía. La recolección de energía generalmente está sujeta a niveles bajos, variables e impredecibles de potencia disponible, por lo que se utiliza a menudo una estructura híbrida que se conecta al recolector y un depósito de energía secundario. Debido a su suministro de energía ilimitado y la deficiencia en potencia, el recolector es la fuente de energía del sistema. El depósito secundario de potencia, ya sea una batería o un capacitor, produce mayor potencia de salida, pero almacena menos energía, al recibir regularmente carga del recolector y solo suministrar energía cuando es necesario. Por lo tanto, en situaciones en las que no hay energía ambiental de la que se pueda recolectar potencia, debe utilizarse el depósito secundario de potencia para alimentar la WSN. Por supuesto, desde la perspectiva de un diseñador de sistemas, esto añade un grado adicional de complejidad, ya que ahora debe tomar en consideración cuánta energía debe ser almacenada en el depósito secundario para compensar la falta de una fuente de energía ambiental.

Está claro que las WSN deben utilizar niveles muy bajos de energía cuando están disponibles. Esto, a su vez, significa que los componentes utilizados en el sistema deben ser capaces manejar estos bajos niveles de potencia. Si bien esto ya se ha logrado con los transceptores y microcontroladores, en el lado de la ecuación de la conversión de energía y de la carga de la batería ha habido un vacío. Sin embargo, Linear Technology desarrolló su LTC3388-1/-3 y LTC4071 para abordar específicamente estos requisitos.

El LTC3388-1/-3 es un convertidor reductor síncrono con capacidad de entrada de 20 V que puede suministrar hasta 50 mA de corriente continua de salida desde un paquete de 3 mm x 3 mm (o MSOP10-E). Vea la figura 1. Funciona a partir de un rango de voltaje de entrada de 2,7 V a 20 V, por lo que es ideal para una amplia gama de aplicaciones de recolección de energía que funcionan con baterías, como el circuito de mantener con vida, el sensor y la potencia de control industrial.

Figura 1: Esquema de aplicación típica de LTC3388-1/-3

El LTC3388-1/-3 utiliza rectificación síncrona histerética para optimizar la eficiencia en una amplia gama de corrientes de carga. Puede ofrecer eficiencia de más del 90 % para las cargas que van desde los 15 μA hasta los 50 mA y solo requiere 400 nA de corriente de reposo, lo que le permite ofrecer una vida extendida de la batería cuando se utiliza uno para la energía auxiliar.

El LT3388-1/-3 incorpora una característica precisa de bloqueo de subvoltaje (ULVO) para desactivar el convertidor cuando el voltaje de entrada cae por debajo de 2.3 V, reduciendo la corriente de reposo a solo 400 nA. Una vez regulado (sin carga), el LTC3388-1/-3 entra en un modo de suspensión para minimizar la corriente de reposo a solo 720 nA. El convertidor reductor se enciende y se apaga según sea necesario para mantener la regulación de salida. Un modo de espera adicional desactiva la conmutación, mientras que la salida está bajo regulación para cargas de corta duración, como módems inalámbricos, que requieren baja ondulación. Este diseño de baja corriente de reposo y alta eficiencia es ideal para la recolección de energía, la cual requiere ciclos de carga largos acompañados de cargas de ráfaga corta para alimentar sensores y módems inalámbricos.

Muchas veces, una batería se utiliza como energía de reserva auxiliar en las WSN; sin embargo, el desafío de diseño de cómo cargarla a través de fuentes de baja potencia no es trivial. LTC4071 de Linear Technology es un sistema de cargador de batería de derivación que incluye protección integrada para la batería y una función de desconexión de la batería baja para proteger las baterías de baja capacidad contra daños causados por la autodescarga. Es un cargador y protector sencillo pero sofisticado para las baterías de iones de litio/polímeros. Su corriente de funcionamiento ultrabaja de 550 nA permite cargar desde fuentes de carga intermitentes o continuas de corriente muy baja previamente inutilizable, como la suministrada desde aplicaciones de recolección de energía. Un acondicionador de batería térmica interna reduce el voltaje flotante para proteger las baterías de iones de litio/polímeros, las baterías tipo botón o las baterías de película delgada a temperaturas elevadas de la batería. Alojado en un paquete DFN de 2 mm x 3 mm de 8 terminales de bajo perfil, el LTC4071 ofrece una solución de cargador ultracompacta y completa con solo una resistencia externa requerida en serie con el voltaje de entrada.

A pesar de que las aplicaciones portátiles y los sistemas de recolección de energía tienen una amplia gama de niveles de potencia para su correcto funcionamiento, desde microvatios hasta más de 1 W, hay muchos circuitos integrados de conversión de potencia a disposición del diseñador de sistemas para su selección. Sin embargo, es en el extremo inferior del rango de potencia, donde los niveles caen en el nivel NanoPower, que la elección se ve limitada.

Afortunadamente, hay soluciones de conversión de potencia y carga de batería disponibles para que el diseñador elija con corrientes de reposo de menos de un microamperio para prolongar la vida de la batería para los circuitos de seguir con vida en sensores de baja potencia y una nueva generación de WSN.