エネルギー収集は、主に、電源に追加する必要がある、またはバッテリー以外の電子機器に電力を供給するための電源方法と見なされています。 多くの場合、エネルギー収集を使用するアプリケーションには、大量の容量を収容するのに十分なスペースがないことがよくあります。 典型的な例には、フィットネスガジェットや健康監視デバイスなどのウェアラブル技術、および環境または構造状態監視アプリケーションなどのワイヤレスセンサーノードが含まれます。
通常、太陽エネルギー、振動、温度差などの環境エネルギー源から収集されたエネルギーは、移行、ブースティング、および一時的な保管の後に効果的に利用する必要があります。 今日、エネルギー収集アプリや電力管理集積回路によって立ち上げられた多くの企業がますます増えています。 しかし、これらのデバイスが高度に統合されて多機能操作を容易にし、サイズをできるだけ小さくするというプレッシャーに直面しています。 機器自体の消費電力が非常に少ないことは間違いありません。
この記事では、急速にウェアラブルな電子機器市場とその関連アプリケーションの小型化のニーズについて概説し、最近、統合されたバックコンバーターを備えたBQ25570ブースト充電器、および一連の同様の代替品と補完コンポーネントについて説明します。 この記事では、TIのユーザーガイドを参照し、デバイスを効果的に使用して低電力、スペース/重量の制限を超越する方法について説明します。
より多くの機能今日、健康状態を監視し、健康管理状態を提供し、医療サービスを提供するためにフィットネス計画を追跡するのは、ますますウェアラブルデバイスです。 ほとんどのポータブルデバイスと同様に、この傾向は、消費者が期待する機器機能の増加を促進します。 GPSデバイスが心拍数モニターに統合されている場合、記録リング番号またはランニングルートを追跡すると、心拍数モニターがより好まれます。 現在、最新のウェアラブルヘルスモニタリング機器は、血圧、体温、血中酸素含有量、心拍数、および活動をモニタリングできます。
図1：エネルギー収集は、多くのウェアラブル電子デバイスアプリケーションの主要なテクノロジーになります。
左：圧力センサーを備えたSensoriaのスマートソックスは、Bluetoothを介してフットリングと通信し、ランニング姿勢（かかと/足）を特定して改善するのに役立ちます。 他のセンサーは、記録、速度、消費カロリー、高さ、距離を追跡できます。
右：フラウンホーファー研究所の研究開発高齢者グループ向けのウェアラブル補助装置は、薬物のリマインダーの取得、健康状態の監視、緊急支援の電話など、一連のプログラム可能なサービスを提供できます。
ワイヤレス接続により、収集したデータを簡単に転送して保存し、後で分析することができます。 モノのインターネットの一部としてのワイヤレスセンサーネットワークは、インテリジェントな建物や環境モニタリングなどのアプリケーションに不可欠であり、これらのアプリケーションの多くのセンサーからのデータをコンパイルする必要があります。 このため、統合されたセンサー、無線周波数回路、およびより正確なマイクロコントローラーが、スマートウォッチ、バイオメトリックモニター、IDタグ製品、センサーノード、およびその他のウェアラブルまたはリモートアプリケーションでますます増えています。
ただし、このような多機能デバイスは、妥当なバッテリ寿命を除いて、軽量、小型、快適性も必要とするため、推奨する必要があります。 設計者は、エネルギー収集技術を使用して、体温や足音などの環境エネルギーを効果的に利用し、バッテリーが充電され続けるようにしています。 特定のデバイス（埋め込みデバイスなど）では、収集されたエネルギーが唯一のエネルギー源です。
したがって、エネルギー収集は、バッテリーの代わりに使用でき、より少量の充電式バッテリーを実現できる空間実用技術と見なすことができます。 バッテリーまたは供給されるエネルギーで電力を供給されるデバイスの場合、電力管理は非常に重要です。 高消費電力（通常は不規則な電源）によって最適なパフォーマンスと高効率の動作を保証するには、一定の精度と精度が必要です。 Advanced Linear Devices、Cymbet、Linear Technology、Maxim Integrated、Spansion、StMicroelectronics、Texas Instrumentsなど、多くのICメーカーがこの市場をターゲットにしています。
旧世代の電力と比較して、新世代の電源はより多く、量が少なく、消費電力が少なくなっています。 理論的には、デバイスは結果として生じるエネルギーを取得し、次に変換および/またはブーストし、最後にシステムまたは充電式エネルギー貯蔵デバイスに直接供給します。 一部の設計は、スーパーキャパシタやリチウムイオンボタンなどのタイプのエネルギー貯蔵デバイス専用にすることができます。 複数のエネルギー貯蔵装置をサポートする他の設計もあります。 同様に、ある形式のエネルギー収集専用の設計もあれば、複数の形式のエネルギーをサポートする他の設計もあります。
注意すべき焦点は、さまざまなアプリケーションに必要な起動電圧です。 一部のアプリケーションは20mVで起動されますが、機能が制限される場合があり、十分な電力管理を提供するために追加の補完コンポーネントが必要です。 積分が高いコンポーネントはサイズが小さく、全体的な静電流は低くなりますが、最低レベルの蓄積エネルギーへの依存度を高めるために、より高い開始電圧が必要になる場合があります。 一部のデバイスは非常にターゲットが絞られており、超低電力センサーノード専用です。 他のデバイスは、マイクロコントローラー機器に基づく要件を満たすために、より高い入力電圧レベルをサポートしますが、エネルギー収集アプリケーションの場合、これらのマイクロデバイス自体は非常に低くなります。
パワーマネジメントICは、断続的な電力と収集されたエネルギー（多くの場合不安定で、多くの場合、量を収集する）を処理するのに十分な柔軟性を備えている必要があります。 これはシステム設計で考慮する必要があります。つまり、十分なエネルギー貯蔵容量があれば、必要なときに一定の電力を供給することができます。 これは、センサーの読み取り頻度、データの送信量、送信頻度に大きく依存します。
高集積TexasINSTRUMENTSは、電力管理IC、ワイヤレス接続、マイクロコントローラーなど、エネルギー収集アプリケーション向けのさまざまな超低電力マイクロデバイスを提供しています。 同社の最新のBQ25570は、フェムト電力管理ソリューションの高度に統合されたエネルギー収集です。 エネルギー収集技術によるすべての基準と、電力制限アプリケーションのすべての基準を満たしています。
このデバイスはコンパクトで、3.5リードの3.5 x 20 mm QFNパッケージを使用し、超低電力の静電流は488 NA（標準値）で、トランスポートモードはです。 1881.5 NA さらに、BQ25570EVM評価モジュールもあります。 製品およびアプリケーションの詳細については、機器の仕様および評価ボードのユーザーガイド2を参照してください。
このデバイスには依然として外部コンデンサと抵抗が必要ですが、統合性が高いため、追加の機器の必要性を最小限に抑えることができます。 この装置は、高エネルギーパルス周波数変調（PFM）ブースト充電器とフェムトパワーバックコンバータソリューションを実装し、過酷な電力と運用要件を持つワイヤレスセンサーネットワークに最適です。 以下の図2を参照してください。この装置は、太陽光発電（ソーラー）、熱電発電機（TEG）、AC / DC整流器、圧電発電機など、さまざまな高インピーダンスエネルギーと組み合わせて使用できます。 コールドスタート状態から、デバイスのDC / DCブーストコンバーター/充電器の最小電圧は330mVです。 その仮説は、入力電源が少なくとも5μW（標準）を提供し、負荷コンバータの出力が1μAのリーク電流（ストレージエレメントのリーク電流を含む）未満であることに基づいています。 ただし、ブーストコンバータの出力電圧は運転後に1.8 Vに達し、デバイスに必要な100MVの電圧をエネルギー収集源から取得できます。
降圧コンバータは、最初にブーストコンバータ出力から取得されて入力電力を取得し、次に降圧プロセスを実行し、最後に出力ピンに調整電圧を提供します。 降圧コンバータは、PFM制御を使用して電圧を調整し、ユーザーがプログラム可能な抵抗分圧器によって設定された値に近づけるようにします。 インダクタを流れる電流は、内部電流検出回路によって制御されます。 配信モードからは約100ms、スタンバイモードからの起動が速くなりますが、出力コンデンサの大きさにもよります。
BQ25570は、コンデンサー、スーパーキャパシター、リチウムイオン電池、その他の化学電池など、さまざまなストレージデバイスで使用できます。 システムが低電力モードまたはスリープモードの場合、コレクターはストレージエレメントを充電するのに十分な電気エネルギーを提供します。 エネルギーコレクターが機能していないときは、バッテリーまたはコンデンサーにシステム負荷全体に電力を供給するのに十分な電力が必要です。 PFMスイッチング充電器のパルス電流をフィルタリングするには、同等のコンデンサ100μFストレージエレメントが必要です。
TIのユーザーガイドによると、バッテリーとスーパーキャパシターの主な違いは、バッテリーの中にはほとんどなく、一定量の電圧よりも少ないことと、スーパーキャパシターがあることです。 システム設計者は、ブーストコンバータ出力のDC負荷に相当する大きなリーク電流があることに注意する必要があります。
最大電力点追従（MPPT）は、太陽電池（70〜80％）とTEG（50％）の最も強力なエネルギーと管理を指します。 バッテリー駆動機器の高エネルギー効率管理に含まれるその他の機能には、バッテリーの過電圧および低電圧保護、充電式リチウムイオンバッテリーの自動サーマルシャットダウンが含まれます。 バッテリーの状態を正確に監視することも重要な機能です。 システムが低電圧状態になる可能性がある場合は、負荷電流降下機能をトリガーする必要もあります。
代替機器と補足機器Tiが起動するBQ25504とBQ25505の機能は似ていますが、静止電流は325NA未満です。 両方のデバイスには、起動時に自律電源多目的マルチプレクサゲートドライバが装備されており、システムがエネルギー収集ソースと一次電池からエネルギーを取得できるようにし、コレクタが利用できない場合でも必要なときに一定の電力が供給されるようにします。また、正しく動作します。 システムに電源を切ることができない場合、超低静電流は非常に重要であるため、バッテリーの寿命を延ばすことができます。
サイズと重量に問題がある場合、TIはBQ25100をお勧めします。これは、特に単一のリチウムイオンボタンに適した、低電力のリニアバッテリー充電器です。 このデバイスは0.9x 1.6 mm WCSPでカプセル化されており、最大30 Vの入力電圧をサポートしているため、急速充電電流を10 mA〜250mAの範囲で正確に制御できます。
補完機器TPS82740AおよびTPS8274Bバックコンバータモジュールは200mAの出力電流をサポートし、変換効率は95％と高く、消費される静止電流はわずか360 NA、70NAは70NAです。 6.7 mm2パッケージには、スイッチングレギュレータ、インダクタ、およびI / Oコンデンサが含まれています。 必要なすべてのパッシブデバイスを統合することにより、デバイスのボリュームは同じディスクリートソリューションよりも75％小さくなります。 TPS82740Aは超低電圧アプリケーションであり、TPS8274Bには「DCS制御」機能があり、Tiなどの電力管理に適しています。 MSP430シリーズ。
結論エネルギー収集技術のポータブルアプリケーションを選択するには、適切な電力管理ICを選択し、システムの電力要件、エネルギー生成の可能性、およびエネルギー貯蔵容量を慎重に検討する必要があります。 電力範囲の下限（ワイヤレスセンサーノードなど）、またはTEGによって生成されるエネルギーが非常に小さい場合、デバイスの選択はさらに制限されます。 小さいサイズと軽量が最優先事項である場合は、この記事のいくつかなど、おそらく最良のソリューションである、より高度な統合を選択してください。
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