エネルギーハーベスティングデバイスは、デバイスへの電力の再導入を追加します

ウェアラブルデバイス、小型モバイルデバイス、そして常時稼働が求められるあらゆるデバイスは、エネルギーハーベスティングの能力から恩恵を受けることができます。これは、バッテリー寿命を延ばすためや、主電源が切断された場合に役立つバックアップ電源を提供するために使用できます。IoTデバイス、軍事装備、センサーネットワーク、さらには自動運転車など、可能な応用例は多岐にわたります。

稼働時間を維持したい、バッテリーを充電/延長したい、あるいは主電源を作り出したい場合は、3つの主要なエネルギーハーベスティング技術の中から選択する必要があります。適切な技術は、デバイスが展開される環境に依存しますが、これらのデバイスを賢明に使用することで、デバイスに必要な追加電力を提供することができます。

PCBおよび小型電子機器のためのエネルギーハーベスティング方法

現代の発電技術と同様に、すべてのエネルギーハーベスティングデバイスは、ある一般的なエネルギー源を電気に変換します。小型電子機器では、最新のエネルギーハーベスティング技術は、機械的、熱的、または背景の電磁エネルギーを電力に変換するように設計されています。この電力は、バッテリーを充電するために使用されるか、またはコンデンサーに蓄えることができます。

デバイス間の通信に無線波を使用する環境で作業している場合、余分なRFエネルギーが本質的に無駄になることがあります。全方向性アンテナを使用した通信では、RFエネルギーが至る所に広がります。この余分なエネルギーを収穫するデバイスは、移動しながらバッテリー寿命を延ばすことができます。

大量の廃熱を生じる機器を扱っている場合、この廃熱を利用してゼーベック効果を利用し、電子機器を動かすことができます。熱電発電機は広く利用可能であり、小型電子機器の電源として役立ちます。これらの発電機の効果は、熱源と周囲の温度勾配に依存するため、適切な熱電発電機を選択する際にはこれを考慮する必要があります。

最後に、機械的振動を生じるシステムの近くにデバイスを取り付ける予定がある場合、この機械エネルギーを圧電発電機を使用して電気エネルギーに変換することができます。

熱電発電機モジュール

エネルギーハーベスティングデバイスを選択する際に考慮すべきパラメータ

次のデバイスにRFまたはマイクロ波エネルギーハーベスティングモジュールを含める予定の場合、モジュールの周波数帯を考慮する必要があります。ほとんどのモジュールは帯域幅が狭く、定義された帯域外では電力変換効率が低くなります。しかし、より広い範囲の周波数を収穫したい場合は、異なる周波数応答を持つ複数のモジュールを使用することができます。また、伝送線効果や給電損失を避けるために、受信アンテナの入力インピーダンスとレイアウト要件も考慮する必要があります。

熱電発電機は、最も効率的な特定の温度範囲を持っています。これらのデバイスから収穫される電流は、デバイスの熱い側と冷たい側の温度勾配に依存しますが、これらのデバイスからの電気応答が非線形になる点があります。定格最大温度と温度勾配を超えても、発電機から大幅に多くの電流が生産されるわけではありません。代わりに、出力電流はある最大値で飽和し始めます。

圧電発電機も、振動振幅が特定の値を超えると同様の非線形応答を示します。また、最大の電力変換効率を提供する定義された応答帯域幅を持っています。これらのデバイスを使用する振動環境は、圧電発電機を選択する前に慎重に検討する必要があります。幸いなことに、ほとんどの圧電整流/調整モジュールの帯域幅は圧電体の帯域幅よりもはるかに広いので、選択するモジュールにある程度の自由があります。

Powercast, P1110B

P1110Bは、背景RF信号を収穫してDC電圧に変換するモジュールです。この表面実装ICは小さなフットプリントを持ち、小さなPCBでの使用に理想的です。受信機は902-928 MHz周波数帯で70%の変換効率に達することができますが、この帯域外でもエネルギーを収穫することができます。

出力電力は、コンデンサに蓄えるのではなく、直接バッテリーを充電するために使用できます。このモジュールをPCBに配置するときは、インピーダンスマッチングを確保し、フィード損失を防ぐために、RFフィードラインを短い50オームのトレースとして設計してください。RF入力アンテナとフィードラインは、グラウンドプレーンから隔離されるべきです。

P1110BはRFエネルギーをDCに変換し、接続された貯蔵要素にエネルギーを提供します。貯蔵要素上の調整可能な電圧閾値が達成されると、P1110Bは自動的に充電を無効にします。マイクロプロセッサを使用して、全体的なシステム運用を改善するためのコンポーネントからデータを取得することができます。

P1110Bデータシートの8ページからの典型的なアプリケーション回路

Linear Technology, LTC3588EDD-1PBF

LTC3588EDD-1PBFは、収集および電力貯蔵アプリケーション用に特別に設計されています。このコンパクトなICは、圧電エネルギー収穫アプリケーションのための整流器および電圧レギュレータとして機能します。LTC3588-1は、圧電素子を通じて周囲の振動エネルギーを収穫し、整流された出力をコンデンサに蓄えます。高周波振動はより大きな電流を出力し、中程度のkHz振動はmAレベルの電流を生産します。

LTC3588-1...は、圧電または代替A/C電源に直接接続するように設計されており、電圧波形を整流し、外部コンデンサに収穫されたエネルギーを蓄え、内部シャントレギュレータを介して余分な電力を放出し、ナノパワー、高効率、同期バックレギュレータを使用して規制された出力電圧を維持します。

LTC3588EDD-1PBFデータシートの12ページに記載

Linear Technology, LTC3107

LTC3107は、小さなフットプリントでICにパッケージされた熱電モジュールです。このICは完全なシステムを動力とするのではなく、バッテリーの延長として設計されています。このモジュールは熱電発電機を使用してエネルギーを収穫し、追加の電流を出力することで、バッテリーへの要求を減らします。

小型のステップアップトランスを使用して、熱電発電機からの電力入力を管理できます。このデバイスは、コンパクトな充電コレクターと電圧レギュレーターを一つのパッケージで実現します。このICは、2Vから4Vのバッテリー電圧に対応しています。典型的なアプリケーション例には、アルカリ電池、3Vリチウムコインセル、または3.6V Li-SOCl2バッテリーが含まれます。

LTC3107は、低電力ワイヤレスセンサーやその他の一次バッテリーを利用する低電力アプリケーションのバッテリー寿命を延ばすための超低入力電圧ステップアップDC/DCコンバーターおよび電力管理ICです。LTC3107は、TEG（熱電発電機）などのエネルギー源から収穫したエネルギーを賢く管理し、バッテリーの消耗を最小限に抑えながら出力を供給し、バッテリー寿命を最大化します。

LTC3107データシートの1ページに記載

ここで言及されていないエネルギー収穫デバイスが一つあります：光起電力。電子機器を動力とするために利用可能な光起電力コンポーネントの数は多く、ここで提供できる以上の注意を必要とします。DC電源を補完するか完全に置き換える場合、光起電力セルは次の電子デバイスを動力とするための素晴らしい選択肢です。

適切な収穫モジュールと適切なレギュレーターを組み合わせることで、次の電子デバイスの稼働時間を大幅に改善できます。エネルギー収穫モジュール用の評価ボードがいくつか利用可能で、次の製品のプロトタイプを簡単に構築できます。次の電子デバイスにエネルギー収穫および貯蔵機能を追加することを考えている場合、Similar Parts recommendationsで適切なオプションを見つけることができます。

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