Energie-opwekking benutten voor betrouwbare Edge IoT-apparaten

IoT-implementaties versnellen naarmate organisaties de digitale transformatie omarmen, en slim leven – in steden, fabrieken en boerderijen – belooft de levenskwaliteit en duurzaamheid te verbeteren.

IoT-eindpunten zijn meestal sensoren – of, minder vaak, actuatoren – die draadloos verbinden met een aggregator of internetgateway. Ze worden in grote aantallen geïnstalleerd en over grote oppervlaktes verspreid. Veldonderhoud, zoals het vervangen van leeggelopen primaire batterijen, is vaak kostbaar en creëert onacceptabel milieuaffval.

Ingenieurs kunnen batterijvervanging omzeilen door eindpunten te ontwerpen met voldoende energievoorraad voor de verwachte levensduur, vaak meerdere jaren. Een muntcel-formfactor wordt meestal bevorzugd vanwege ruimtebeperkingen. Als de opgeslagen energie onvoldoende is, kan een grotere cel worden gebruikt.

Alternatief kan het herontwerpen van de schakeling om het totale stroomverbruik te verlagen tot onder de beschikbare celcapaciteit helpen. Een van beide strategieën – of een combinatie – kan nog steeds tekortschieten.

Micro-energie-opwekking, die microwatts tot milliwatts levert, biedt een nuttige en potentieel onuitputtelijke elektriciteitsbron uit de omgeving. Het kan een primaire cel aanvullen of vervangen, afhankelijk van de toepassing en beschikbare omgevingsenergie. In sommige gevallen kan de geoogste energie de schakeling direct voeden; in andere is opslag in een buffer tot het nodig is beter.

In elk geval is een geschikte omgevingsenergiebron vereist om aan de behoeften van de toepassing te voldoen. Van de verschillende subsystemen van het IoT-eindpunt verbruikt de radio de meeste energie. Het analyseren van de eisen kan het ontwerp en de integratie van het energie-opwekkingssysteem sturen.

Stroomverbruik van het radiosubsysteem

Het kiezen van de meest geschikte draadloze technologie om de vereiste datarate en communicatiebereik te bieden bij het laagst mogelijke stroomverbruik is cruciaal.

Als de sensor zich op korte afstand van een aggregator of gateway bevindt – zoals een hub of router verbonden met het internet of een lokale telecomcentrale – kunnen technologieën als Bluetooth, Zigbee of Wi‑Fi passen, afhankelijk van de vereiste datarate en kostenbeperkingen. Voor eindpunten verspreid over grote geografische gebieden kan een LPWAN- of cellulaire verbinding nodig zijn. Figuur 1 vergelijkt het stroomverbruik, de datarate, het typische maximale bereik en de relatieve kosten van de belangrijkste technologieën in IoT-toepassingen.

Bereik, datarate en stroomverbruik kunnen ook numeriek worden uitgedrukt voor directe vergelijking. Zoals figuur 2 toont, kan een draadloos subsysteem van 150 µW tot 400 mW verbruiken.

Om de impact op de totale energievraag van het systeem volledig te begrijpen, moet de duty cycle worden overwogen. Toepassingen zoals slimme nutsmeters sturen kleine datapakketten een paar keer per dag of elke paar dagen. Anderen – zoals beveiligingscamera's – moeten mogelijk grote hoeveelheden data frequent of continu verzenden. Afhankelijk van de toepassing kan de duty cycle worden verlaagd door data lokaal te filteren voor transmissie; een camera kan bijvoorbeeld een bewegingssensor bevatten die alleen opneemt bij gedetecteerde activiteit, of ingebouwde beeldverwerking die oninteressante frames weggooit. De energie die nodig is om de data te filteren, moet worden afgewogen tegen de besparing door een lagere duty cycle om een netto voordeel te garanderen.

Omgevingsenergiebronnen

Met een duidelijk beeld van de energiebehoefte van het draadloze subsysteem kunnen geschikte omgevingsbronnen en micro-energie-opwekkingstechnologieën worden geëvalueerd.

De belangrijkste micro-energie-opwekkingstechnologieën die deze systemen kunnen voeden, zijn arrays van zonnecellen, piezo-elektrische of electrostatische omzetters geactiveerd door trillingen, en Peltier-elementen die een temperatuursgradiënt omzetten in een elektromotorische kracht (EMK). RF-energie opgevangen via patch- of spoolantennes is doorgaans alleen geschikt voor de meest zuinige IoT-toepassingen. Figuur 3 vergelijkt de typische energiedichtheden van deze technologieën. Met deze informatie kan een technologie worden geselecteerd en een specificatie ontwikkeld door componentformaten en prestaties te beoordelen.

Zonnecellen met een oppervlakte van 35–40 cm² kunnen ongeveer 0,5 W genereren, uitgaande van een rendement van ongeveer 20 %. Deze cellen zijn in volume voor minder dan $1 per stuk beschikbaar, terwijl piezo-opwekkers doorgaans ten minste een orde groter zijn in prijs en minder energie produceren. Zonnecellen zijn binnen minder efficiënt, maar recente binnen-opwekkers claimen voldoende uitgang voor low-power radios.

Alles samenbrengen

Door deze vooruitgang te benutten, kan micro-energie-opwekking batterijen in IoT-eindpunten verminderen of elimineren. Omdat omgevingsbronnen onregelmatig zijn en mogelijk niet beschikbaar wanneer het apparaat data moet verzenden of ontvangen, is meestal een energiebuffer – zoals een oplaadbare batterij, condensator of supercondensator – vereist. Een energie-opwekking power-management IC (EH PMIC) beheert de energie van het opwekkingssubsysteem, laadt de buffer op en voedt de last wanneer nodig, zoals getoond in figuur 4. Verschillende opwekkingstechnologieën hebben verschillende elektrische kenmerken. Thermo-elektrische opwekkers produceren continue lage DC-spanning en zijn lage impedantie; zonnecellen produceren ook lage DC-spanning, maar de stroom – en dus impedantie – varieert met het lichtniveau.

Typische EH PMIC's op de markt hebben vaste architecturen en invoerspanningsbereiken afgestemd op een specifieke opwekker. Dit beperkt de mogelijkheid om meerdere energiebronnen te combineren als één alleen niet voldoet. Wanneer meerdere bronnen nodig zijn, is een toegewezen EH PMIC voor elke bron vereist, wat kosten, grootte, stroomverbruik en ontwerpscomplexiteit toevoegt.

Sommige EH PMIC's kunnen met externe schakelingen worden afgestemd om de uitgang van een opwekker te conditioneren. Om systeemontwerp te vereenvoudigen, bieden Trameto's EH PMIC's – OptiJoule genoemd – ingangen die automatisch aanpassen aan diverse aangesloten opwekkers en de geleverde vermogen aan de buffer maximaliseren, zonder externe schakelingen. Versies zijn beschikbaar voor enkele invoeren of tot vier invoeren. De multi-input versies staan toe om vergelijkbare of verschillende opwekkers aan te sluiten. Met OptiJoule-apparaten kan micro-energie-opwekkingscapaciteit worden geschaald, kan een enkele PMIC meerdere toepassingen bedienen, en kan de keuze van opwekkingstechnologie later in de productontwikkeling worden uitgesteld.

Conclusie

Voortgang in geoptimaliseerde radioprotocollen, laag-energie microprocessorontwerp, low-power sensoren en toenemende micro-energie-opwekkingsefficiëntie hebben omgevingsenergie een levensvatbare bron gemaakt voor het verminderen of elimineren van batterijen in edge IoT-apparaten. De nieuwste EH PMIC-ontwikkelingen bieden de flexibiliteit om grootte, kosten en complexiteit te managen bij de integratie van geselecteerde micro-energie-opwekkingstechnologieën.