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最佳能量采集系统,“熊”比“树赖”要更好_4

2019-07-03 09:11编辑:admin人气:


工业4.0是一个术语,描述了虚实融合系统对工厂产生革命性影响的展望。在近期的一篇与这个概念有关的德文文章中,我讨论了到目前为止,工业革命如何成为全新数据管理与新能源支配和使用的组合产物而正是这个能量采集为工业4.0的运行提供了源源不断的动力。由于针对成功能量采集的最佳做法没有得到很好地分享,限制了这些设计的成功率,我将在本篇博文中分享这些最佳做法中的一部分。

我经常被问到一个问题,那就是设计一个最佳能量采集系统的诀窍是什么。在这篇博文中,我将讨论在能量采集设计方面,设计出一个熊系统要比设计出一个树懒系统更重要。

能量采集的秘诀:树懒和熊

能量采集系统的秘诀就是要与很相似,熊能够:

知道冬天何时来临,并且能够适应随之而来的气候变化。

能够以足够快的速度捕鱼来应对冬天的到来。

在环境需要时大幅度地减少新陈代谢速度(冬眠)。

在外部环境刺激它的感官时,非常迅速地从冬眠中醒来。

在能量采集时最容易犯的错误就是像树懒一样,树懒:

无法适应多变的环境(它的自然栖息地的有限性正好说明了这一点)。

当生存受到威胁时,几乎不能够加快运动的速度。

不能根据周遭环境的变化来调节消耗的能量,而总是将它保持在最低水平。


但是,我们怎样才能将树懒和熊转化为嵌入式电子系统呢?虽然也许需要一整篇博文才能把这个问题解释清楚,不过大多数设计人员应该已经知道的是,一块太阳能电池能够在任何地方产生能量,在同样平方厘米大小的光伏活动区域内,发电的功率在0(无光照),2.5W(光照弱),直到最高10mW(阳光充足)范围内。类似于熊的系统将能够采集全部这些能量,而与树懒相似的系统将针对最差情况电源进行了优化,比如说1W。自然情况下,树懒方法限制了采集周围能量的机会,并且不能够适应全新的环境条件,从而限制了这些系统能够提供给用户的优势。

你也许会问,如何才能真正设计出一款运行方式类似于熊的系统呢?其中的一个入手点就是针对热电发电机 (TEG) 的通用能量采集适配器模块TI Designs参考设计。在这个最低功耗模式中,这个设计运行电流为60nA,并且能够以80%以上的效率采集40W到数百毫瓦的能量。此外,当系统处于冬眠模式时,它能够随时唤醒,以应对环境变化。

由于针对超低功耗和能量采集的TI器件的独特组合,有可能实现这一性能:TPL5100可编程定时器和bq25570电源管理集成电路 (IC),加上业内最低功耗微控制器单元 (MCU),MSP430FR5969 MCU,以及最低功耗比较器,TLV3691。

TPL5100生成这个参考设计的心跳。这款定时器的最佳特性是能够以30nA的电流运行,此外,为了实现系统内部管理功能 (housekeeping),还可以定期唤醒MSP430 MCU。当我在帮助设计这款IC时,我希望能够生成一个到超低功耗MCU的中断,比如说MSP430FR5969 MCU,或者是断开负载。在这个TI Designs参考设计中,我正在为你演示的是第一种方式下的使用方法。

为了采集周围环境中的能量,我选择的是bq25570;这是一款DC/DC升压转换器,它能够在运行动态最大功率点追踪 (MPPT) 的同时,将90%的输入能源(功率可低至100W)转换为电能,这款器件也可断电,断电后的功率只有1nW。

这个系统的大脑是MSP430FR5969 MCU。在最低功率模式下 (LPM4.5) ,这款MCU在保持通用输入/输出 (GPIO) 功能,以实现异步中断,或者直接为系统的低功耗功能供电的情况下,流耗只有20nA。

将熊从冬眠中唤醒的感官刺激来自TLV3691,一款运行电流只有75nA的比较器,并且被设计为监视输入电压。由于它的低功耗特性,MSP430FR5969 MCU的GPIO可以为这款比较器供电,并根据需要将其打开和关闭。

能量采集的秘诀:树懒和熊

2:这个参考设计的方框图,采用的是BoosterPack外形尺寸,以实现快速原型设计

如果你正打算设计一个功耗极低或者以能量采集为基础的系统,你可以看一看这个参考设计中的电路原理图、布局布线和测试数据。如果你有任何成功经验,或者你在以前的设计中曾经遇到的设计难题,请在下方与我们分享。

一定要使你的能量采集系统像熊一样,并使它具有很强的适应性,并且占据主导地位,成为整个生态系统的主宰!

其它资源

下载针对热电发电机 (TEG) TI Designs参考设计的普通能量采集适配器模块的电路原理图、测试数据、设计文件和物料清单。

在这篇德语文章中了解工业4.0将有能量采集推动的原因。

如果你的能量采集系统需要与主系统隔离,请从这个TI Designs参考设计 (TIDA-00349)中下载电路原理图。

(来源:未知)

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