【技术专辑】用于能量收集应用的赛普拉斯S6AE102A / S6AE103A评估套件的硬件评估

在本文中,我们将评估和描述赛普拉斯半导体的两个电源管理IC开发板的硬件,这些开发板专为能量收集应用而设计。

 

S6AE102A和S6AE103A电源管理集成电路(PMIC)器件允许设计人员使用操作环境中已有的光为其物联网传感器设计供电。这些PMIC能够通过适当选择的太阳能电池在室内获取能量。本技术文章探讨了CYALKIT-EO4评估套件,该套件支持S6AE102A和S6AE103A PMIC。

 

【技术专辑】用于能量收集应用的赛普拉斯S6AE102A / S6AE103A评估套件的硬件评估

S6AE102A(左上)和S6AE103A(右上)。图中(底行,从左到右)是附带的传感器板(顶视图和底视图)和太阳能模块。

 

当光子撞击太阳能电池时,它们的能量以导致电流的方式影响电子(如果存在闭合电路)。不幸的是,从光到电的转换过程的效率相对较低。当太阳能电池在室内使用时,有限的可用光与光伏器件的低效率相结合使得在许多使用情况下太阳能收获不足。

 

然而,S6AE10xA系列能量收集IC消耗的电流极小(约280 nA),可以存储来自太阳能电池的能量,以运行低功耗传感器解决方案。这使设计人员能够创建永不需要电池的无线传感器。例如,窗口警报可能会组合一个低功耗传感器,例如BMA400加速度计(<4μA)和BLE5 SoC,例如TI的BLE5 CC2640R2F128 SOC(1.1μA感应,突发传输期间为9.1 mA)。

 

如果连续进行加速度计的监测将仅需要~15μW(如果以5Hz采样则更少),然后当检测到运动时,需要短暂的能量脉冲来传输几毫秒。因此,能量产生率可能超过能量消耗率。(有关生成估算,请参阅此文档。)

 

操作基础

 

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围绕S6AE101A / 2A / 3A PMIC构建的能量采集嵌入式设备的典型架构。

 

只要有足够的光照射到太阳能电池上以向设备提供电流,S6AE101xA PMIC就会激活并向系统提供能量。如果系统未激活,或输入端有额外的能量,则设备将能量存储在电容器中供以后使用。

 

内部开关电源块可以将电池或太阳能电池的能量输送到电容器或可调输出电压LDO。

 

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S6AE102A / S6AE103A器件内部的电源模块控制电源输入和输出中的连接状态。图片来自赛普拉斯数据表。

 

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赛普拉斯半导体数据表中S6AE102A / S6AE103A PMIC的方框图。

 

要了解有关这些设备的更多信息,AAC购买了CYALKIT-E04,其中包含S6AE102A / S6AE103A的评估板。

 

CYALKIT-EO4

 

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S6AE102A EVM板。点击放大。

 

【技术专辑】用于能量收集应用的赛普拉斯S6AE102A / S6AE103A评估套件的硬件评估

S6AE103A EVM板。点击放大。来自S6AE102A和S6AE103A 评估套件指南的图像。

 

这些板提供类似的功能,并能够连接到CY8CKIT-042-BLE蓝牙低功耗套件以及具有Arduino兼容接头的设备。

 

两种PMIC都具有相似的特征; 然而,S6AE103A有一个额外的四个引脚,为设计增加了两个定时器和一个比较器。  

 

测试套件

 

要了解有关器件的更多信息,我将S6AE103A连接到套件中提供的太阳能电池,并使用Tektronix MDO3104示波器和TPP1000探头记录测试点VStore1和VStore 2的电位差。  

 

对于此示例,SW12处于关闭位置(关闭充电指示灯LED)并且SW11处于打开位置(对板载0.33 F超级电容器充电)。主照明由位于太阳能电池上方30cm处的LED台灯提供。二次照明来自计算机显示器(背对太阳能电池)和白炽灯室内灯(超过2米)。

 

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此图显示LED台灯打开前的充电周期时间(左八个分区)和之后(右两个分区)。当灯的旋钮转到全亮度时,充电时间进一步缩短(如下图所示)。这表明即使在最低设置下,灯也是主要的能量来源。

 

我使用200 s / div时标设置来显示超级电容器充电周期的大部分。Tektronix MDO3104能够达到1000 s / div; 这将说明更多的充电周期,但填充示波器屏幕需要2小时45分钟。即使在200 s / div你也需要等待很长时间; 记录下面显示的内容花了33分钟。

 

通道1(黄色)显示VStore1测试点的电压,通道2(蓝色)显示VStore2测试点的电压(即超级电容器电压)。

 

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上面显示的是通过台灯(通道2,蓝色)在晚上在室内充电的超级电容器的33分钟记录。请参阅下文,以更好地表示VStore1测试点的电压。

 

充电电路

 

来自太阳能电池的能量最初传输到连接到VStore1引脚的电容器。当检测到上限电压阈值时,能量从连接到VStore1引脚的小电容传输到连接到VStore2引脚的超级电容。 

 

当VStore1电容器电压由于VStore2电容器充电而降低时,它将最终达到较低的阈值电压并停止对超级电容器充电,直到再次达到上限阈值。

 

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VStore1电容两端的电压(黄色)在上下电压之间循环。在电压上限时,VStore2超级电容器的充电开始。在较低的电压阈值下,VStore2超级电容器的充电停止。

 

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总结

 

赛普拉斯S6AE10xA电源管理IC可帮助您设计可通过环境光供电的传感器和其他低功耗嵌入式设备。这可能是一种有效且相当简单的方法,可确保您的设备运行时间超过当前电池技术允许的时间。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计