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LeistungselektronikBild 3: Ausgangsstrom des LTC3109abhängig von der Eingangsspannung.Bild 1: Eine typische Konfiguration eines drahtlosen Sensorsystems.Bild 5: Vereinfachte Schaltung einerSpannungsquelle, die eine ohmscheLast treibt.Bilder: Linear TechnologyBild 2: Beschaltung des LTC3109 für den Betrieb mit einer Eingangspolarität.gie-erntenden Kette war bislang der Leistungswandler/Power-Management-Funktionsblock,der mit einer oder mehreren dieserQuellen von freier Energie arbeiten kann. Das ideale Power-Managementfür die Energieernte sollte klein und einfach einzusetzensein sowie zuverlässig arbeiten, während es von den extrem hohenoder geringen Spannungen betrieben wird, die von den gemeinsamenEnergie-erntenden Quellen erzeugt werden. Der Power-Managerselbst darf nur sehr wenig Strom verbrauchen, um die gesammelteEnergie zu managen und mit einer minimalen Anzahlexterner Komponenten die geregelten Ausgangsspannungen zugenerieren.Einige Anwendungen, wie drahtlose HVAC-Sensoren (heating,ventilation, airconditioning, cooling) oder mit Geothermie betriebeneSensoren sind eine weitere besondere Herausforderung füreinen Energie-erntenden Leistungswandler. Diese Applikationenerfordern, dass der Energie-erntende Leistungswandler nicht nurmit einer sehr kleinen Eingangsspannung arbeitet, sondern auchmit einer von zwei Polaritäten, da sich die Polarität des Temperaturunterschiedsan einem Thermoelektrischen Generator (TEG)ändert. Dies ist ein besonders herausforderndes Problem und beiSpannungen im Bereich von zehn bis hundert mV sind hier Dioden-Brückengleichrichterauch keine Alternative.Der LTC3109, verfügbar entweder in einem 4 x 4 x 0,75 mm 3großen QFN mit 20 Anschlüssen oder im 20-Pin-SSOP, löst dasProblem der Energieernte bei extrem geringer Eingangsspannung,unabhängig von der Polarität. Er ist ein kompakter, einfacher, hochintegrierter monolithischer Power-Manager, der mit Eingangsspannungenbis hinunter zu ±30 mV arbeitet. Diese bisher einzigartigeFähigkeit ermöglicht es ihm, drahtlose Sensoren mit einemthermoelektrischen Generator (TEG) zu versorgen, der Energieaus Temperaturunterschieden (∆T) von nur 2 °C erntet. Mit Einsatzvon zwei kleinen (6 x 6 mm 2 ) handelsüblichen Aufwärtswandlernund einer Handvoll preisgünstiger Kondensatoren liefert ereine geregelte Ausgangsspannung, die nötig ist, um die heutigeElektronik der drahtlosen Sensoren zu versorgen. Der LTC3109nutzt diese Aufwärtswandler und internen MOSFETs, um einenResonanzoszillator zu bilden, der mit sehr kleinen Eingangsspannungenarbeiten kann. Mit einem Wicklungsverhältnis des TrafosBild 4: Typischer mechanischer Aufbau eines TEG.von 1:100 kann der Wandler bei Eingangsspannungen, unabhängigvon der Polarität, von nur 30 mV starten. Die Sekundärwicklungdes Trafos speist eine Ladungspumpe und einen Gleichrichter,die dazu benutzt werden, den IC zu versorgen (über den V AUX-Pin) und die Ausgangskondensatoren zu laden. Der 2,2-V-LDO-Ausgang ist so ausgelegt, dass er zuerst in die Regelung geht, umeinen Low-Power-Mikroprozessor so schnell wie möglich zu versorgen.Danach wird der Haupt-Ausgangskondensator über dieV S1- und V S2-Pins auf die programmierte Spannung (2,35 V, 3,3 V,4,1 V oder 5,0 V) geladen. Damit werden dann die Sensoren, Analogschaltungen,HF-Sender/Empfänger oder sogar ein Superkondensatoroder eine Batterie geladen. Der V OUT-Speicherkondensatorliefert die Burst-Energie, die für den Lastpuls während deskurzen Arbeitstaktes benötigt wird, wenn der drahtlose Sensoraktiv ist und seine Messwerte überträgt. Ein geschalteter Ausgang(V OUT2), einfach vom Host gesteuert, ist ebenfalls vorhanden, umSchaltungen zu versorgen, die keinen Abschaltmodus oder Strom-Auf einen BlickAn Eingangsspannungen bis hinunter zu±30 mV arbeitenMit seiner einzigartigen Fähigkeit mit Eingangsspannungen bis hinunterzu ±30 mV arbeiten zu können, bietet der LTC3109 eine einfache,effektive Power-Management-Lösung, die das thermische Energieerntenzur Stromversorgung von drahtlosen Sensoren und anderenLow-Power-Applikationen mit weit verbreiteten thermoelektrischenBauteilen erlaubt. Lieferbar entweder im QFN oder SSOP mit jeweils20 Anschlüssen, bietet dieses Produkt eine bisher unerreichte Fähigkeitmit kleinen Spannungen zu arbeiten, und eine hohe Integrationsdichte,um den Flächenbedarf der Lösung zu minimieren. DerLTC3109 fügt sich nahtlos in bestehende Low-Power-Funktionsblöckeein, um völlig autonom drahtlose Sensoren zu versorgen und dieBetriebszeit von Batterien in kritischen Batterie-gestützten Applikationenzu verlängern.infoDIREKT www.all-electronics.de504ei0612www.elektronik-industrie.de elektronik industrie 06 / 2012 39