Hardware Evaluation für das Cypress S6AE102A / S6AE103A Eval Kit für Energy Harvesting Anwendungen

Designing with PSoC 5 – Cypress’ Line Follower Robot (November 2018).

Anonim

Hardware Evaluation für das Cypress S6AE102A / S6AE103A Eval Kit für Energy Harvesting Anwendungen


In diesem Artikel werden wir die Hardware von zwei Power-Management-IC-Entwicklungsplatinen von Cypress Semiconductor für Energy-Harvesting-Anwendungen bewerten und charakterisieren.

Mit den Power Management Integrated Circuit (PMIC) -Geräten S6AE102A und S6AE103A können Entwickler ihre IoT-Sensorkonstruktionen mit Licht betreiben, das bereits in der Betriebsumgebung vorhanden ist. Diese PMICs können mit entsprechend ausgewählten Solarzellen Energie in Innenräumen sammeln. Dieser technische Artikel untersucht das CYALKIT-EO4 Evaluation Kit, das die PMICs S6AE102A und S6AE103A unterstützt.

Das S6AE102A (oben links) und S6AE103A (oben rechts). Ebenfalls abgebildet (untere Reihe, von links nach rechts) sind die mitgelieferte Sensorplatine (Ansicht von oben und unten) und das Solarmodul.

Wenn Photonen auf eine Solarzelle treffen, beeinflusst ihre Energie Elektronen auf eine Weise, die zu elektrischem Strom führt (wenn ein geschlossener Stromkreis vorhanden ist). Leider ist die Effizienz des Umwandlungsprozesses von Licht zu Elektrizität relativ gering. Wenn Solarzellen in Innenräumen verwendet werden, macht begrenztes verfügbares Licht, kombiniert mit der Ineffizienz von photovoltaischen Vorrichtungen, die Solarenergiegewinnung in vielen Anwendungsfällen unzureichend.

Allerdings verbraucht die S6AE10xA-Linie von Energy-Harvesting-ICs unglaublich geringe Strommengen (~ 280 nA) und kann Energie aus Solarzellen speichern, um Sensorlösungen mit geringer Leistung zu betreiben. So können Entwickler drahtlose Sensoren erstellen, die nie Batterien benötigen. Zum Beispiel könnte ein Fensteralarm einen Sensor mit niedriger Leistung, wie den Beschleunigungsmesser BMA5 (<4 & mgr; A), und einen BLE5-SoC wie TI BLE5 CC2640R2F128 SOC (1, 1 & mgr; A Sense, 9, 1 mA während Burst-Übertragung) kombinieren.

Die Überwachung des Beschleunigungsmessers würde nur ~ 15 μW erfordern, wenn sie kontinuierlich durchgeführt wird (viel weniger, wenn mit 5 Hz abgetastet wird), dann, wenn eine Bewegung detektiert wird, ist ein kurzer Energiestoß erforderlich, um für einige Millisekunden zu übertragen. Somit könnte die Rate der Energieerzeugung die Rate des Energieverbrauchs übersteigen. (In diesem Dokument finden Sie Schätzungen zur Generierung.)

Grundlagen der Bedienung

Typische Architektur für Energy-Harvesting-Embedded-Geräte, die auf den PMICs S6AE101A / 2A / 3A basieren.

Sobald genug Licht auf eine Solarzelle fällt, um das Gerät mit Strom zu versorgen, aktiviert das S6AE101xA PMIC und liefert Energie an das System. Wenn das System nicht aktiv ist oder zusätzliche Energie am Eingang verfügbar ist, speichert das Gerät die Energie in einem Kondensator für die spätere Verwendung.

Ein intern geschalteter Leistungsblock kann die Energie von einer Batterie oder einer Solarzelle zu Kondensatoren oder einer einstellbaren Ausgangsspannung LDO liefern.

Der Leistungsblock im Gerät S6AE102A / S6AE103A steuert den Status der Verbindungen in den Stromeingängen und -ausgängen. Bild von Cypress Datenblatt.

Blockdiagramm des PMIC S6AE102A / S6AE103A von Cypress Semiconductor Datasheet.

Um mehr über diese Geräte zu erfahren, hat AAC das CYALKIT-E04 erworben, das Evaluierungskarten für das S6AE102A / S6AE103A enthält.

CYALKIT-EO4

S6AE102A EVM-Karte. Klicken um zu vergrößern.

S6AE103A EVM-Karte. Klicken um zu vergrößern. Bilder aus dem Evaluierungskit-Handbuch S6AE102A und S6AE103A.

Diese Boards bieten eine ähnliche Funktionalität und können mit dem Bluetooth Low Energy Kit CY8CKIT-042-BLE sowie Geräten mit Arduino-kompatiblen Headern verbunden werden.

Beide PMICs haben ähnliche Eigenschaften; Der S6AE103A verfügt jedoch über zusätzliche vier Pins, die dem Design zwei zusätzliche Timer und einen Komparator hinzufügen.

Testen der Kits

Um mehr über die Geräte zu erfahren, habe ich das S6AE103A an die im Kit mitgelieferte Solarzelle angeschlossen und die Potentialdifferenz an den Testpunkten VStore1 und VStore 2 mit dem Tektronix MDO3104 Oszilloskop und den TPP1000 Sonden aufgezeichnet.

In diesem Beispiel war SW12 ausgeschaltet (die Ladeanzeige-LED wurde ausgeschaltet) und SW11 war in der Position ON (Laden des Onboard-Superkondensators 0.33 F). Die primäre Beleuchtung wurde durch eine LED-Tischlampe erreicht, die 30 cm über der Solarzelle angeordnet war. Die Sekundärbeleuchtung kam von einem Computermonitor (der von der Solarzelle abgewandt war) und einem glühenden Raumlicht (über 2 m entfernt).

Dieses Bild zeigt die Ladezykluszeit vor (linke acht Divisionen) und nach (rechts zwei Divisionen) wurde die LED Schreibtischlampe eingeschaltet. Wenn der Knopf der Lampe auf volle Helligkeit gedreht wurde, nahm die Ladezeit weiter ab (siehe Bilder unten). Dies zeigt an, dass die Lampe selbst bei ihrer niedrigsten Einstellung die primäre Energiequelle war.

Ich habe eine Zeitskala von 200 s / div verwendet, um einen großen Teil des Ladezyklus des Superkondensators anzuzeigen. Der Tektronix MDO3104 ist in der Lage 1000 s / div; das hätte viel mehr von dem Ladezyklus veranschaulicht, aber es würde 2 Stunden und 45 Minuten dauern, den Bildschirm des Oszilloskops zu füllen. Selbst bei 200 s / div musst du lange warten; Es dauerte 33 Minuten, um aufzunehmen, was unten gezeigt wird.

Kanal 1 (gelb) zeigt die Spannung am VStore1-Testpunkt und Kanal 2 (blau) zeigt die Spannung am VStore2-Testpunkt (dh die Superkondensatorspannung).

Oben ist eine 33-minütige Aufnahme des Superkondensators gezeigt, der nachts über eine Schreibtischlampe (Kanal 2, blau) auflädt. Siehe unten für eine bessere Darstellung der Spannung am VStore1-Testpunkt.

Die Ladeschaltung

Die Energie von der Solarzelle wird zunächst auf den Kondensator übertragen, der mit dem Pin VStore1 verbunden ist. Wenn ein oberer Spannungsschwellenwert erkannt wird, wird Energie von dem kleinen Kondensator, der mit dem Pin VStore1 verbunden ist, zu dem Superkondensator, der mit dem Pin VStore2 verbunden ist, übertragen.

Wenn die VStore1-Kondensatorspannung aufgrund des Ladens des VStore2-Kondensators abnimmt, wird sie schließlich eine niedrigere Schwellenspannung erreichen und aufhören, den Superkondensator aufzuladen, bis der obere Schwellenwert wieder erreicht ist.

Die Spannung am Kondensator VStore1 (gelb) wechselt zwischen der oberen und der unteren Spannung. An der oberen Spannungsschwelle beginnt das Laden des Superkondensators VStore2. An der unteren Spannungsschwelle hört das Laden des Superkondensators VStore2 auf.

Zusammenfassung

Die Stromverwaltungs-ICs Cypress S6AE10xA helfen Ihnen, Sensoren und andere energiesparende Embedded-Geräte zu entwickeln, die mit Umgebungslicht betrieben werden können. Dies könnte eine effektive und ziemlich einfache Möglichkeit sein, sicherzustellen, dass Ihr Gerät länger arbeiten kann, als es die aktuelle Batterietechnologie erlaubt.