スマートホームアプリケーションのための革新的なナノパワーソリューション

便利さは、人間の本性に深く根ざした欲求です。一生懸命働いているにもかかわらず、私たちは生活を楽にするためにお金を使うことはいといません。大きく発展している分野の1つに、スマートホーム技術を使ったホームオートメーションがあります。私たちは住まいがよりスマートに機能し、より快適で、安全で、リラックスでき、さらには環境にも貢献することを望んでいます。

スマートホームとは最先端技術を利用して、応答性、効率性、安全性を高めた最新式の住宅のことです。その中核となるのは、室温の調整、照明の制御、セキュリティシステムの管理など、日常的な作業を自動化する相互接続されたデバイスです。これを実現するために、スマートホームアプリケーションは多くの技術コンポーネントに依存しており、その多くはケーブル接続のない遠隔地に配置されるため、電池駆動であることが必要です。
これには、センサ、スイッチ、メータ、ポータブルリモコンなどのデバイスが含まれ、通常、電池駆動です。

はじめに

最近のナノパワー技術の革新により、単一または複数のアルカリ電池やリチウムイオン（Li-Ion）電池を使用して、これらのデバイスに効率的に電力を供給することが可能になりました。
この記事では、ナノパワーソリューションの実用的な使用例を検討し、Analog DevicesのMAX77837およびMAX18000ナノパワースイッチングコンバータを使用した2つの回路例を紹介します。

スマートホームアプリケーションの構築

一般的に、スマートホームが「見る」、「聞く」、および「感じる」ことを可能にするためには、家中にセンサを配置する必要があります。従来のセンサは、光、温度、および動きを検出しますが、最新のセンサは、画像認識や他の高度な知能認識タイプが含まれています。例えば、部屋に何人いるか、人なつっこい猫が玄関に近づいてきたとか、泥棒が貴重品を盗もうと窓越しにチェックしていないか、などを検知することができます。

このようなセンサはコストを節約し、柔軟性を提供するために、配線なしで動作するものでなければなりません。これにより、既存の住宅にセンサを簡単に配置することができ、デバイスを家庭の電力網に接続することなく、センサを最適な場所に設置することができます。Wi-FiやBluetooth®のような無線通信方式は、データ転送を簡素化しますが、どのセンサも電力を必要とします。多くのスマートホームアプリケーションにとって、この電力を供給するということが課題かもしれません。一般的な太陽電池を使ったエネルギーハーベスティング（環境発電）が使われることもありますが、信頼性の高さから電池が好まれることが多いです。

スマートホームシステムの主なハードルは、電池寿命を延ばすことです。シンプルな電池の実用化と、太陽電池の費用対効果を高めるためには、センサには高効率の電源が必要です。待機電流の低さと全負荷動作時の効率の高さは、スマートホームシステムの設計において非常に重要な要素です。

電池1個の昇圧コンバータを用いた高効率電源装置

分散型センサに電力を供給するシンプルな方法の1つに、充電ができない使い捨ての電池である一次電池を使用する方法があります。この電池は、回路やハードウェア部品のコストと、交換や充電にかかるコストや手間のバランスがとれています。通常、一次電池は新しい状態では1.5Vの電圧を供給します。しかし、放電が進むと電圧は0.8V以下に低下し、0.8Vより高い動作電圧を必要とするほとんどの電子回路では、使用可能なエネルギーがほとんどなくなります。
電源電圧と電子回路が必要とする動作電圧をより一致させるには、複数の電池を直列に使用します。しかし、この方法は単一の電池を使用するよりも高価で、場所もとります。そこで、高効率の昇圧レギュレータが使用できます。これらのデバイスは、一般的な一次電池からの電圧を0.8Vから1.5Vまで昇圧し、3.3Vや5Vといったスマートホームのアプリケーションに電力を供給できるレベルにします。
図1は、MAX18000を使用した小型の昇圧コンバータ回路です。

image579×237 15.2 KB

この回路はコンパクトで、必要な外付け部品はわずかです。DC/DCコンバータIC自体は、1.07mm x 1.57mmの小型パッケージです。3.6Aのスイッチを2個内蔵しており、出力電圧が立ち上がっているときの静止電流はわずか512nAと非常に低くなっています。この昇圧コンバータの最大効率は95%で、超低負荷時（20µA以上）でも効率は90%以上を維持します。
入力動作電圧範囲は0.5V～5.5Vで、0.8Vのような非常に低い電池電圧から必要な高いシステム電圧まで昇圧することができます。

昇降圧コンバータを用いた高効率電源

一部のセンサアプリケーションでは、複数の電池またはリチウムイオン（Li-Ion）電池を使用し、単一電池に比べてわずかに高い電圧を供給しています。フル充電されたリチウムイオン電池は通常約3.7Vを供給しますが、放電すると電圧は約2.8Vまで低下します。これは、電池が消耗する前の最低使用可能レベルです。
この電圧範囲で、電子的なセンサに一般的に必要とされる公称3.3 Vを生成するには、昇降圧コンバータが必要です。これが、リチウムイオン電池の台頭とともに昇降圧コンバータが特に普及した理由です。

1.5Vの一次電池を3本直列に使用する場合にも、同様のニーズがあります。これらは満充電時には4.5Vを供給しますが、ほぼ放電すると約2.4Vに低下します。この場合も、センサ用の安定した3.3V出力を維持するために、昇降圧コンバータが必要です。

図2は、MAX77837を使用した昇降圧ソリューションです。
この設計に必要な外付け部品はわずかで、必要なプリント回路基板の面積を非常に小さく抑えることができます。チップ自体は、1.84mm x 1.03mm のコンパクトなパッケージに入っています。より大きなピンピッチを希望するメーカー向けに、2.5mm x 2mmのQFNパッケージも用意しています。

image614×249 19.3 KB

電池の寿命を最大限に延ばすため、このソリューションはわずか430nAという驚くほど低い静止電流で動作します。シャットダウンモードでの電力変換ICの消費電流はわずか10nAで、メインの電池の隣に蓄電用コンデンサがあるアプリケーションに最適です。このような場合、DC/DCコンバータはシャットダウンモードで一定時間待機した後、再び起動してコンデンサを充電します。
このアプローチは、時間の経過とともにエネルギーを節約するだけでなく、電池の寿命を大幅に延ばします。

まとめ

電源管理はスマートホームを実現するために極めて重要で、効率的な電圧変換を保証し、電池寿命を延ばします。半導体プロセスと集積回路設計の進歩により、多くのセンサアプリケーションで低静止電流システムが実用化されています。次の記事では、回路シミュレーションによって設計を簡素化する方法を探究し、設計を開始するために不可欠なハードウェアを紹介します。これにより、設計プロセスを簡素化するための貴重な洞察と実践的なガイダンスを提供し、必要なハードウェアを入手するための適切なリソースを提供します。

次の記事

回路シミュレーションと実用的ハードウェアによるスマートホーム設計を簡素化する

オリジナル・ソース（English）