Energiewinning laten werken voor edge IoT-apparaten

IoT-implementaties blijven vorderen naarmate organisaties digitale transformatie nastreven, en omdat slim leven - in al zijn vormen - de sleutel vormt tot het verbeteren van de kwaliteit van leven en duurzaamheid.

IoT-eindpunten zijn meestal sensoren of, minder vaak, actuatoren die draadloos zijn verbonden met een aggregerend apparaat of internetgateway. Ze worden vaak in grote aantallen ingezet en, in een scenario als smart city, smart factory of smart farming, verspreid over een groot geografisch gebied. De kosten voor het uitvoeren van veldonderhoud, zoals het vervangen van ontladen primaire batterijen, zijn meestal onbetaalbaar. Bovendien vormen de afgedankte batterijen een milieubelasting die steeds meer onaanvaardbaar wordt.

Bij het ontwerpen van eindpunten kunnen ingenieurs de noodzaak van batterijvervanging vermijden door voldoende energievoorziening te regelen voor de verwachte levensduur van het apparaat. Dit kan meerdere jaren zijn. Een knoopcelvormfactor is meestal wenselijk vanwege de beperkte afmetingen. Als de opgeslagen energie niet voldoet aan de systeemvereisten, kan het plaatsen van een grotere cel een optie zijn.

Een alternatief is om de schakelingen opnieuw te ontwerpen om de totale energiebehoefte van het systeem te verminderen tot onder de beschikbare celopslag. Beide benaderingen, of een combinatie van beide, kunnen het doel niet bereiken.

Het oogsten van micro-energie, in de orde van grootte van microwatt of milliwatt, kan een nuttige en potentieel onuitputtelijke voorraad elektrische energie opleveren, opgevangen uit de omgeving. Deze kan een primaire cel aanvullen of vervangen, afhankelijk van de toepassing en de beschikbare omgevingsenergie. Het kan mogelijk zijn dat de geoogste en geconverteerde energie het circuit rechtstreeks van stroom kan voorzien. Aan de andere kant kan het een geschiktere benadering zijn om de energie in een buffer op te slaan totdat het nodig is.

In ieder geval is een geschikte bron van omgevingsenergie vereist die aan de behoeften van de toepassing kan voldoen. Van de verschillende subsystemen van het IoT-eindpunt stelt de radio de grootste energiebehoefte. Het kan leerzaam zijn om de eisen hier te analyseren, om het ontwerp en de integratie van het energieoogstsysteem te informeren.

Energieverbruik radiosubsysteem

Het is van cruciaal belang om de meest geschikte draadloze technologie te kiezen om de vereiste gegevenssnelheid en het communicatiebereik te bieden met een zo laag mogelijk stroomverbruik.

Als de sensor slechts op korte afstand van een aggregator of gateway zoals een hub of router moet worden geplaatst die is verbonden met internet of via een lokale telecomcentrale, kan een technologie zoals Bluetooth, Zigbee of Wi-Fi geschikt zijn, afhankelijk van op de vereiste datasnelheid en ook op kostenbeperkingen. In andere gevallen, zoals wanneer eindpunten zijn verspreid over een geografisch groot gebied, kan een LPWAN- of mobiele verbinding nodig zijn. Afbeelding 1 vergelijkt het stroomverbruik, de gegevenssnelheid, het typische maximale bereik en de relatieve kosten van de belangrijkste technologieën die worden gebruikt in IoT-toepassingen.

Het bereik, de datasnelheid en het stroomverbruik kunnen ook numeriek worden uitgedrukt om directe vergelijking mogelijk te maken. Zoals figuur 2 laat zien, kan een draadloos subsysteem slechts 150 µW tot 400 mW verbruiken.

Om de effecten op de totale energievraag van het systeem volledig te begrijpen, moet ook rekening worden gehouden met de duty-cycle. Bij toepassingen zoals slimme nutsmeters worden een paar keer per dag of om de paar dagen kleine pakketjes gegevens verzonden. Andere, zoals beveiligingscamera's, moeten mogelijk vaak of continu grote hoeveelheden gegevens verzenden. Afhankelijk van de toepassing kan de duty cycle worden verminderd door de gegevens lokaal in het systeem te filteren voordat ze worden verzonden; een camera kan zijn uitgerust met een bewegingssensor om alleen te beginnen met opnemen wanneer er activiteit wordt gedetecteerd, of ingebouwde beeldverwerking kan oninteressante gegevens weggooien. Natuurlijk moet de energie die nodig is om de gegevens te filteren, worden vergeleken met de energie die wordt bespaard door de inschakelduur te verminderen, om een ​​nettovoordeel te garanderen.

Omgevingsenergiebronnen

Nadat we inzicht hebben gekregen in de energie en het vermogen die door het draadloze subsysteem worden gevraagd, is het mogelijk geschikte omgevingsbronnen en technologieën voor het oogsten van micro-energie te evalueren.

De belangrijkste technologieën voor het oogsten van micro-energie die geschikt zijn voor het aandrijven van deze systemen zijn arrays van zonnecellen, piëzo-elektrische of elektrostatische converters die worden geactiveerd door trillingen, en Peltier-apparaten die een temperatuurgradiënt omzetten in een elektromotorische kracht (EMF). RF-energiebronnen die worden opgevangen via patch- of spoelantennes zijn meestal ongeschikt voor alle, behalve de meest zuinige IoT-toepassingen. Figuur 3 vergelijkt de typische energiedichtheden die bij deze technologieën horen. Met behulp van deze informatie is het mogelijk om een ​​technologie te selecteren en een specificatie te ontwikkelen door de afmetingen en prestaties van beschikbare componenten te beoordelen.

Zonnecellen met een oppervlakte van 35-40 cm ² kan ongeveer 0,5 watt genereren, uitgaande van een efficiëntie van ongeveer 20%. Deze zijn verkrijgbaar voor minder dan 1 USD per stuk, terwijl piëzo-elektrische oogstmachines doorgaans minstens een orde van grootte duurder zijn en minder energie produceren. Het is bekend dat zonnecellen minder efficiënt zijn bij gebruik binnenshuis. Er zijn onlangs echter enkele indoor zonneoogstmachines geïntroduceerd die beweren voldoende output te leveren voor radio's met een laag vermogen.

Alles samenbrengen

Door gebruik te maken van dergelijke ontwikkelingen, kan het oogsten van micro-energie worden beschouwd als een oplossing om batterijen in IoT-eindpunten te verminderen of te elimineren. Omdat de energiebronnen zelf vaak onregelmatig zijn en niet noodzakelijk beschikbaar zijn wanneer het IoT-apparaat gegevens moet verzenden of ontvangen, is meestal een energiebuffer of opslagapparaat nodig. Dit kan een oplaadbare batterij of condensator (of supercondensator) zijn. Een energie-oogst-energiebeheer-IC (EH PMIC) is nodig om de energie van het oogstsubsysteem te verwerken, de aan de energiebuffer geleverde lading te beheren en de belasting indien nodig van stroom te voorzien, zoals weergegeven in figuur 4. De verschillende technologieën voor het oogsten van energie hebben verschillende elektrische eigenschappen. Thermo-elektrische oogstmachines produceren continue gelijkstroom bij een lage spanning en dat geldt ook voor een lage impedantie. Hoewel zonnecellen ook een lage gelijkspanning produceren, varieert de stroom, en dus de impedantie, met het lichtniveau.

Typische EH PMICS die tegenwoordig op de markt zijn, hebben een vaste architectuur en een ingangsspanningsbereik dat is ontworpen om met een bepaald type oogstmachine te werken. Dit sluit het gebruik van een alternatieve oogstmachine uit om extra omgevingsenergie op te vangen als één bron alleen niet aan de systeemvereisten kan voldoen. Als er meerdere energiebronnen nodig zijn, is daarom voor elke energiebron een speciale EH PMIC nodig. Dit verhoogt de systeemkosten, de grootte en het stroomverbruik en kan het ontwerp ook bemoeilijken.

Sommige EH PMIC's kunnen worden aangepast met behulp van externe schakelingen om de output van de energy harvester te conditioneren. Om het systeemontwerp te vereenvoudigen, bieden Trameto's EH PMIC's, OptiJoule genaamd, inputs die zich autonoom aanpassen aan verschillende soorten aangesloten oogstmachines en het vermogen dat aan de buffer wordt geleverd maximaliseren, zonder dat externe schakelingen nodig zijn. Er zijn versies beschikbaar voor enkele ingangen of met maximaal vier ingangen. Versies met meerdere ingangen bieden de flexibiliteit om vergelijkbare of verschillende soorten oogstmachines aan te sluiten. Met OptiJoule-apparaten is het dus mogelijk om de capaciteit voor het oogsten van micro-energie te schalen, een enkele PMIC voor meerdere toepassingen te gebruiken en indien nodig zelfs de selectie van technologie voor het oogsten van energie uit te stellen tot later in de ontwikkeling van een product.

Conclusie

Door ontwikkelingen in geoptimaliseerde radioprotocollen, energiezuinig microprocessorontwerp, energiezuinige sensoren en de toenemende efficiëntie van het oogsten van micro-energie, is omgevingsenergie een levensvatbare bron geworden om de afhankelijkheid van batterijen te verminderen of te elimineren en de levensduur van IoT-eindpunten in het veld. De nieuwste ontwikkelingen in EH PMIC's bieden extra flexibiliteit om omvang, kosten en complexiteit te beheren bij het integreren van geselecteerde technologieën voor het oogsten van micro-energie.