Оценка оборудования для Cypress S6AE102A / S6AE103A Eval Kit для приложений для сбора энергии
В этой статье мы оценим и охарактеризуем аппаратное обеспечение двух плат разработки ИС управления питанием от Cypress Semiconductor, предназначенное для применения в области энергосбережения.
Устройства S6AE102A и S6AE103A Power Management Integrated Circuit (PMIC) позволяют дизайнерам использовать свои конструкции датчиков IoT, используя свет, который уже присутствует в рабочей среде. Эти PMIC могут собирать энергию в помещении с правильно подобранными солнечными батареями. В этой технической статье рассматривается комплект оценки CYALKIT-EO4, который поддерживает PMIC S6AE102A и S6AE103A.
S6AE102A (вверху слева) и S6AE103A (вверху справа). Также изображены (нижний ряд, слева направо) - встроенная сенсорная панель (верхний и нижний) и солнечный модуль
Когда фотоны налетают на солнечный элемент, их энергия влияет на электроны таким образом, что приводит к электрическому току (если присутствует замкнутый контур). К сожалению, эффективность процесса преобразования от света к электричеству относительно низка. Когда солнечные элементы используются в закрытом помещении, ограниченный доступный свет в сочетании с неэффективностью фотоэлектрических устройств делает сбор солнечной энергии недостаточной во многих случаях использования.
Тем не менее, линии микросхем сбора энергии S6AE10xA потребляют невероятно небольшое количество тока (~ 280 нА) и могут хранить энергию от солнечных элементов, чтобы использовать маломощные сенсорные решения. Это позволяет дизайнерам создавать беспроводные датчики, которые никогда не нуждаются в батареях. Например, сигнализация окна может сочетать датчик низкой мощности, такой как акселерометр BMA400 (<4 мкА) и BLE5 SoC, такой как BLE5 CC2640R2F128 SOC TI (1, 1 мкА, 9, 1 мА во время пакетной передачи).
Мониторинг акселерометра потребовал бы всего ~ 15 мкВт, если он был выполнен непрерывно (гораздо меньше, если был выбран на 5 Гц), а затем, когда движение обнаружено, требуется короткая вспышка энергии для передачи в течение нескольких миллисекунд. Таким образом, скорость генерации энергии может превышать скорость потребления энергии. (См. Этот документ для оценок генерации.)
Основы работы
Типичная архитектура энергосберегающих встроенных устройств, встроенных в PMIC S6AE101A / 2A / 3A
Как только на солнечный элемент попадает достаточно света, чтобы обеспечить ток в устройстве, PMIC S6AE101xA активирует и подает энергию в систему. Если система не активна или на входе имеется дополнительная энергия, устройство сохраняет энергию в конденсаторе для последующего использования.
Внутренний блок питания может подавать энергию от батареи или солнечного элемента к конденсаторам или регулируемое выходное напряжение LDO.
Блок питания внутри устройства S6AE102A / S6AE103A контролирует состояние соединений в входах и выходах питания. Изображение из Cypress datasheet
Блок-схема PMIC S6AE102A / S6AE103A из Cypress Semiconductor Datasheet
Чтобы узнать больше об этих устройствах, AAC приобрела CYALKIT-E04, который содержит оценочные платы для S6AE102A / S6AE103A.
CYALKIT-EO4
Плата EVM S6AE102A. Нажмите, чтобы увеличить
Плата EVM S6AE103A. Нажмите, чтобы увеличить. Изображения из руководства по оценке S6AE102A и S6AE103A
Эти платы предлагают аналогичную функциональность и имеют возможность подключения к CY8CKIT-042-BLE Bluetooth Low Energy Kit, а также устройства с совместимыми с Arduino заголовками.
Оба PMIC имеют сходные функции; однако S6AE103A имеет дополнительные четыре вывода, которые добавляют дополнительные два таймера и один компаратор к дизайну.
Тестирование наборов
Чтобы узнать больше об устройствах, я подключил S6AE103A к солнечному элементу, входящему в комплект, и записал разность потенциалов в контрольных точках VStore1 и VStore 2 с помощью осциллографа Tektronix MDO3104 и зондов TPP1000.
В этом примере SW12 находился в выключенном положении (выключая индикатор зарядки), а SW11 находился в положении включения (зарядка встроенного суперконденсатора 0, 33 F). Первичное освещение обеспечивалось светодиодной настольной лампой, расположенной на расстоянии 30 см от солнечного элемента. Вторичная подсветка поступала от монитора компьютера (обращенного от солнечного элемента) и лампы накаливания (более 2 м).
На этом изображении отображается время зарядки до (осталось восемь делений), а после (два справа) светодиодная настольная лампа была включена. Когда ручка лампы была повернута до полной яркости, период заряда снова уменьшился (как показано на рисунках ниже). Это указывает на то, что лампа, даже при ее самом низком уровне, была основным источником энергии
Я использовал настройку времени на 200 с / дел, чтобы показать большую часть цикла зарядки суперконденсатора. Tektronix MDO3104 способен 1000 с / дел; что иллюстрировало бы гораздо больше цикла заряда, но для заполнения экрана осциллографа потребовалось бы 2 часа 45 минут. Даже в 200 с / div вам нужно долго ждать; потребовалось 33 минуты, чтобы записать то, что показано ниже.
Канал 1 (желтый) показывает напряжение на контрольной точке VStore1, а канал 2 (синий) показывает напряжение в контрольной точке VStore2 (т.е. напряжение суперконденсатора).
Показанная выше запись - это 33-минутная запись суперконденсатора, заряжающего в помещении ночью через настольную лампу (канал 2, синий). См. Ниже лучшее представление напряжения в контрольной точке VStore1
Цепочка зарядки
Энергия солнечного элемента изначально переносится на конденсатор, подключенный к выходу VStore1. При обнаружении верхнего порога напряжения энергия передается от маленького конденсатора, подключенного к выходу VStore1, к суперконденсатору, подключенному к контакту VStore2.
Поскольку напряжение конденсатора VStore1 уменьшается из-за зарядки конденсатора VStore2, оно в конечном итоге достигнет более низкого порогового напряжения и прекратит зарядку суперконденсатора до тех пор, пока верхний порог не будет достигнут снова.
Напряжение на конденсаторе VStore1 (желтый) перемещается между верхним и нижним напряжениями. При верхнем пороге напряжения начинается зарядка суперконденсатора VStore2. При более низком пороге напряжения зарядка суперконденсатора VStore2 прекращается
Резюме
Микросхемы управления питанием Cypress S6AE10xA помогают вам проектировать датчики и другие маломощные встроенные устройства, которые могут питаться от окружающего света. Это может быть эффективным и достаточно простым способом обеспечения работы вашего устройства дольше, чем позволяет технология аккумулятора.