Увеличение времени автономной работы носимой техники

Компактные системы сбора энергии могут стать прекрасной основой для создания вспомогательных источников питания малопотребляющего электронного оборудования, например, носимых устройств, беспроводных узлов Интернета вещей или датчиков местоположения движущихся объектов. Привлекательность фотоэлементов в качестве источников питания обусловлена их надежностью, долговечностью, отсутствием движущихся частей и легкой интеграцией практически в любое устройство. Однако на практике сбор световой энергии из окружающей среды устройствами, находящимися в постоянном движении, обычно сопряжен с рядом трудностей, в основном связанных с ограниченным доступом к источникам света, из-за чего фотоэлементы не могут работать с максимальной эффективностью. Одним из возможных вариантов решения этой проблемы является использование специализированных контроллеров с функцией отслеживания точки максимальной мощности (Maximum Power Point Tracking, MPPT), например, микросхемы MAX20361 производства Maxim Integrated (Рисунок 1). При таком подходе одно- или многоэлементные фотоэлектрические ячейки можно использовать с максимально возможной эффективностью, поэтому они смогут стать дополнительным источником энергии и ощутимо продлить время автономной работы устройств с батарейным питанием.

Согласно информации, предоставленной Maxim, систему сбора энергии на основе MAX20361 можно разместить в объеме, не превышающем половины объема, занимающего конкурирующими решениями других производителей. Достижение столь высокого уровня удельной мощности стало возможным как за счет уменьшения общего количества компонентов, так и благодаря использованию радиоэлементов меньшего размера. Например, в качестве накопителя повышающего преобразователя можно использовать дроссель с минимальной индуктивностью 4.7 мкГн, размеры которого могут составлять всего 2 × 1.6 × 1.2 мм. Однако наибольшая выгода от использования MAX20361 заключается в большем количестве собранной энергии. Использование адаптивного алгоритма MPPT позволяет увеличить этот параметр не менее чем на 5% по сравнению с ближайшим конкурирующим аналогом. Столь высокая эффективность достигается за счет периодического анализа и оптимизации работы системы по критерию максимума выходной мощности, при определении которой используются значения уникального счетчика количества циклов повышающего преобразователя (Harvest Counter), пропорциональные выходному току системы. Это позволяет отбирать энергию у фотоэлементов с КПД до 86% в диапазоне мощностей от 15 мкВт до 300 мВт (и выше) и питать основную схему током до 30 мА при напряжении 3.8 В. Ключевым узлом системы сбора энергии на основе MAX20361 является повышающий преобразователь с ультранизким током собственного потребления (360 нА), способный работать при входном напряжении, начиная от 225 мВ. Его максимальное выходное напряжение и порог появления сигнала WAKE, пробуждающего остальную систему, являются программируемыми и при необходимости могут быть установлены пользователем через интерфейс I2C. Наибольшее количество энергии из окружающей среды можно получить при согласовании параметров источника электрической энергии, в данном случае – фотоэлемента, и ее накопителя. Микросхема MAX20361 оптимизирована для работы с литий-ионными аккумуляторами, поэтому она имеет встроенные узлы для их заряда и защиты. Однако благодаря возможности программировать через I2C пороги отключения зарядного устройства при перенапряжении и перегреве ячеек, этот контроллер можно использовать как с аккумуляторами других типов, так и совместно с ионисторами и «традиционными» электролитическими конденсаторами. Изучить все тонкости работы этой микросхемы можно с помощью подробной 32-страничной документации, в которой приведены все технические характеристики, структурная схема, назначение выводов, описание функций, а также десятки графиков, иллюстрирующих работу системы в различных режимах. MAX20361 выпускаются в 12-выводных корпусах WLP с размерами 1.63 × 1.23 мм и шагом выводов 0.4 мм. Стоимость одной микросхемы на сайте производителя равна $23.64 при условии заказа не менее 1000 приборов. Для определения возможностей этой микросхемы можно приобрести оценочную плату MAX20361EVKIT (Рисунок 2) стоимостью $57, позволяющую за минимальное время создать и запустить тестовую установку для сбора световой энергии. При использовании MAX20361EVKIT настройку системы можно осуществить с помощью специализированного программного обеспечения, поставляемого в комплекте набора. Для настройки платы ее необходимо подключить к компьютеру с помощью адаптера USB2PMB2, обеспечивающего согласование интерфейсов I2C и USB.

Кроме микросхемы MAX20361, на печатной плате оценочного комплекта установлены встроенный регулируемый источник тока, фотоэлемент из монокристаллического кремния, ионистор, нагрузочный резистор, а также датчик выходного тока. Принципиальная схема, разводка всех четырех слоев печатной платы с указанием места расположения компонентов, список радиоэлементов, а также подробное описание и инструкции по использованию входят в состав технической документации, поставляемой вместе с платой. https://www.rlocman.ru/review/article.html?di=640369