По прогнозам департамента Европейской комиссии по энергетике и климату к 2050 году 97% всего потребляемого электричества будет генерироваться с помощью возобновляемых источников энергии. Да, это не ошибка, именно 97%! Для инженеров, работающих в области энергетики и электроники, будет очевидно, что для достижения таких показателей потребуется как следует потрудиться! Так перед разработчиками электроники ставится задача по обеспечению максимальной эффективности использования энергии возобновляемых источников. Интенсивная работа в этом направлении ведется уже сейчас, примером этого является микросхема MAX17710 от Maxim Integrated. Она позволяет бережно преобразовывать каждый микроватт, полученный от различных харвестеров энергии.
 |
|
| Рис. 1. | Источники альтернативной энергии: солнце, ветер, вибрация, магнитные поля, радиоволны, температура. |
Использование возобновляемых источников энергии – давняя мечта человечества. Раньше ученые и энтузиасты трудились над созданием вечных двигателей, чтобы получить доступ к бесконечной мощности. И хотя некоторые романтики продолжают работать в том же направлении, большая часть научной общественности выбрало альтернативный путь: если нельзя создать вечный двигатель, то будем использовать «вечное топливо»! Солнце, ветер, вибрация, магнитные поля, радиоволны, тепловая энергия – вот лишь часть примеров таких неисчерпаемых источников энергии (Рис. 1).
Использование всех перечисленных альтернативных источников уже давно переместилось из разряда фантастики в нашу повседневную жизнь. Для получения бесконечной энергии созданы самые разнообразные преобразователи: солнечные батареи, ветрогенераторы, виброхарвестеры, харвестеры радиоэнергии, термогенераторы и т. д. Их все чаще можно встретить в самых различных устройствах, однако, скорость их внедрения все же не такая высокая. Причиной этого является целый ряд проблем:
- Невысокая эффективность.
Эффективность преобразования для таких генераторов, как правило, невысока. Например, для получения более-менее значимой мощности от ветрогенератора нужно иметь достаточно высокую скорость ветра и стабильное его направление. Для использования солнечных батарей суммарное число солнечных дней должно быть значительным. Это приемлемо, например, для стран юга Европы, где число солнечных дней легко превышает 250, а вот для менее солнечных территорий их использование затруднено.
- Малая мощность.
Из-за малой эффективности преобразования выходная мощность генераторов невысока. Для получения значительной мощности требуется строительство целых систем ветрогенераторов и огромных комплексов из солнечных батарей. Однако благодаря постоянному снижению потребления современных электронных устройств маломощные преобразователи становятся все более востребованными.
- Сложность реализации.
Генератор становится лишь первым звеном в цепи преобразователей. После конвертации альтернативной энергии в электрическую, требуется выполнить преобразование уровней напряжения и запасти энергию в аккумуляторе. Все это не так-то просто сделать с минимальным уровнем потерь.
- Необходимость использования аккумуляторов для накопления.
Альтернативные источники не могут быть доступны каждую секунду: солнце не всегда светит, ветер не всегда дует и т. д. Чтобы при этом обеспечивать питание устройств, необходимо иметь вспомогательный элемент питания (аккумулятор, суперконденсатор и т. д.).
- Дополнительные недостатки.
Кроме перечисленных слабых черт решения на базе альтернативных источников часто имеют высокую стоимость, невысокую надежность и т. д.
Однако не все так плохо! Не стоит сомневаться, что значение преобразователей альтернативной энергии будет расти, но для этого нужно последовательно исправить все существующие недостатки. Как видно, многие из них можно устранить за счет повышения качества применяемой электроники. Например, чтобы по максимуму использовать маломощные сигналы от генераторов, необходимо минимизировать собственные потери. В таком случае, даже минимальную генерируемую мощность можно будет запасать в аккумуляторах.
Рассмотрим типовую схему конвертации электрических сигналов после преобразователя альтернативной энергии. Как было сказано выше, мощность и амплитуда выходного сигнала первичного преобразователя сильно зависят от «качества» исходного источника энергии. Например, при ярком освещении солнечная батарея выдает уверенный относительно высоковольтный сигнал, который достаточно будет стабилизировать с помощью линейного регулятора и передать в нагрузку или запасти в аккумуляторе. При снижении яркости освещения выходная мощность проседает, и амплитуда напряжения падает. Очевидно, что для таких низковольтных сигналов нужен повышающий преобразователь. Для передачи энергии в нагрузку от аккумулятора потребуется еще один преобразователь, например, дополнительный линейный регулятор. Кроме того, для стабильной работы устройства необходим выверенный алгоритм заряда аккумулятора, а также механизмы защиты от глубокого разряда и перенапряжений.
В итоге для работы потребуется целых три преобразователя и вспомогательные цепи для защиты и управления. Но главное во всем этом то, что суммарное собственное потребление такой системы должно быть минимальным, иначе возможности использования альтернативной энергии резко ограничиваются. К счастью, электроника не стоит на месте и определенные успехи в ее развитии можно наблюдать уже сейчас. Ярким примером успешной работы в этом направлении являются микросхемы зарядных устройств MAX17710 от Maxim Integrated.
MAX17710 – интегральная микросхема, включающая комплекс из трех преобразователей, набор цепей защиты и управления (Рис. 2). MAX17710 позволяет работать как с высоковольтными, так и с низковольтными напряжениями преобразователей альтернативной энергии, выполнять заряд аккумуляторной батареи (литиевой, твердотельной и т. д.), передавать энергию в нагрузку с максимальным током до 50 мА.
 |
|
| Рис. 2. | Внутренняя структура микросхемы MAX17710. |
При работе с высоковольтными источниками энергии MAX17710 использует обычный линейный регулятор для заряда аккумулятора. Если же питание производится от низковольтного источника, то «в бой» вступает повышающий преобразователь.
Таким образом, MAX17710 имеет три основных режима работы зарядного устройства.
Питание от высоковольтного источника.
Потребление зарядного устройства MAX17710 составляет 625 нА, это позволяет запасти энергию даже при мощности сигнала от 1 мкВт при работе от высоковольтного источника энергии с помощью линейного регулятора.
Работа от низковольтного источника.
В таких случаях потребуется активация импульсного повышающего регулятора, для которого нижний предел включения составляет 0.485 мВ, а напряжение выключения 0.22 мВ. При этом потери оказываются несколько выше, и входной ток должен быть не менее 1 мкА.
Работа от аккумулятора.
Если источник энергии неактивен, то питание производится от аккумулятора. При этом собственное потребление зарядного устройства может быть снижено до 1 нА, для этого нужно запретить работу всех преобразователей с помощью внешних выводов управления.
MAX17710 имеет два типа выходных сигналов: регулируемый и нерегулируемый. Регулируемый сигнал формируется встроенным линейным стабилизатором с программируемым напряжением 1.8/ 2.3/ 3.3 В и выходным током 50 мА. Его можно активировать с помощью входа AE, а настройка значения напряжения производится с помощью подтягивающего резистора на входе SEL1.
Таким образом, MAX17710 оказывается готовым ко всем возможным вариантам развития событий:
- к использованию входных источников энергии мощностью от 1 мкВт до 100 мВт;
- к работе со входными напряжениями от десятых долей В до единиц В;
- к подключению выходной нагрузки с напряжениями 1.8/ 2.3/ 3.3 В и током до 50 мА.
В качестве примера использования MAX17710 можно привести типовую схему работы с парой солнечных ячеек (Рис. 3). В данном случае энергия запасается в сверхтонком твердотельном аккумуляторе от Thinergy. Включение и управление работой выходного линейного регулятора производится с помощью датчиков и микроконтроллера. При этом датчик (детектор событий) может включить выходной стабилизатор, а микроконтроллер определить режим работы.
 |
|
| Рис. 3. | Типовая схема включения MAX17710 для питания от солнечной батареи. |
Благодаря MAX17710, даже самые маломощные преобразователи энергии, работающие всего несколько десятков минут в день, способны обеспечивать питанием автономный датчик или другие малопотребляющие устройства. Все это стало возможным из-за малого собственного потребления микросхемы и сложной системы встроенных преобразователей напряжения.
Характеристики контроллера аккумуляторов MAX17710GB+ (MAX17710GB+T):
- встроенный регулятор заряда: Uвх = 4.875…5.7 В, Uвых (тип) = 4.15 В, Iвых = 100 мА, падение напряжения 45…100 мВ (1 мкА…100 мА), Iпотр = 625…1000 нА;
- выходной регулятор: Uвых = 1.8/ 2.3/ 3.3 В, Iвых = 50 мА;
- повышающий регулятор: Uвых (тип) = 4.5 В, fраб = 1 МГц, Uвх вкл = 0.485…1 В, Uвх выкл = 0.485…1 В;
- поддержка литиевых аккумуляторов: есть, с защитой от избыточного разряда и защитой от повышенного напряжения заряда;
- корпус: 3×3×0.5 мм UTDFN;
- диапазон рабочих температур: от –40 до +85 °C.
Посмотреть более подробно технические характеристики контроллеров аккумуляторов от Maxim
Купить MAX17710 на РадиоЛоцман.Цены
