Entwurf von unendlicher Energieversorgung für eingebettete Systeme mit Energierückgewinnungstechnologie

Verfolgung der Erreichung eines dauerhaften Betriebs in Energierückgewinnungssystemen

Die Energieerntetechnologie entwickelt sich schnell zu einer praktikablen Stromversorgungsoption für Entwickler eingebetteter Systeme, wodurch drahtlose Sensoren in Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen herkömmliche batteriebetriebene Designs zuvor nicht machbar waren. Energieerntestromquellen ermöglichen es Systementwicklern beispielsweise, mühelos ultraschlanke drahtlose Sensoren mit einer Reichweite von über 100 Metern und einer Lebensdauer von mehr als 20 Jahren zu konstruieren.

Das ultimative Ziel von Energy-Harvesting-Systemen ist der dauerhafte Betrieb. Ein Energy-Harvesting-System kann dauerhaft betrieben werden, indem sichergestellt wird, dass die gewonnene Energie die von dem System während des Betriebs verbrauchte Energie erfüllt oder übersteigt. Energiemanagement ist ein entscheidender Aspekt bei der Gestaltung eines Energy-Harvesting-Systems. Der erste Schritt besteht darin, die verfügbare Leistungsabgabe des Harvesters zu bestimmen. Energy Harvester können Solar-, mechanische oder thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Solar-Harvester haben die höchste Leistungsdichte und sind in der Lage, 15 mW/cm² der Oberfläche zu ernten. Die Maximierung der Leistungsabgabe des Energy Harvesters ist entscheidend für den Aufbau eines robusten Energy-Harvesting-Systems.

Der wichtigste Aspekt bei der Entwicklung eines Energy-Harvesting-Systems besteht darin, ausreichende Funktionalität bereitzustellen und gleichzeitig den Stromverbrauch des eingebetteten Systems zu minimieren. Durch die Auswahl von Komponenten mit niedrigen Leckagespezifikationen und die Verwendung von Mikrocontrollern (MCUs) mit extrem niedrigem Stromverbrauch, wie z. B. Silicon Labs' Si10xx Wireless MCUs, kann ein niedriger Stromverbrauch erreicht werden. Die meisten Techniken, die zur Erzielung eines niedrigen Stromverbrauchs in batteriebetriebenen Systemen verwendet werden, können angewendet werden, um den Stromverbrauch in Energy-Harvesting-Systemen zu minimieren.

Betrachten wir ein Beispiel eines solarbetriebenen drahtlosen Sensorknotens, der alle 20 Minuten Daten mit einem durchschnittlichen Strom von 10 µA überträgt. Dieses System ist mit einem Solarmodul ausgestattet, das während der Tageslichtstunden einen kontinuierlichen Strom von 50 µA liefern kann. Der verfügbare Nettostrom zum Aufladen der Batterie während des Tages beträgt 40 µA, und in der Nacht entlädt sich die Batterie mit einer Rate von 10 µA. Solange das System täglich mindestens 4,8 Stunden Sonnenlicht ausgesetzt ist, kann das Energiesammelsystem einen dauerhaften Betrieb erreichen.

Ausgleich der durchschnittlichen Leistung von Dünnfilm-Batterien bei Energierückgewinnung und Verbrauch

Es gibt zwei Arten von Energieerntesystemen, die in der Lage sind, einen dauerhaften Betrieb zu erreichen, jeweils mit unterschiedlichen Energiespeichermechanismen. Der erste Typ benötigt lange Perioden, um Energie zu ernten und zu akkumulieren, indem sie energiesparende, hochkapazitive Energiekontainer wie Dünnschichtbatterien verwenden. Ein dauerhafter Betrieb wird durch das Ausbalancieren der durchschnittlich geernteten Energie mit dem durchschnittlichen Energieverbrauch erreicht. Diese Energieerntesysteme sind die flexibelsten und haben typischerweise kurze Phasen eines hohen Energieverbrauchs. Sie befinden sich die meiste Zeit im stromsparenden Schlafmodus, bleiben immer eingeschaltet und ernten kontinuierlich Energie. Ein Beispiel für diesen Systemtyp ist ein solarbetriebenes drahtloses Sensorknoten.

Der zweite Typ von Energieerntesystem bleibt stromlos, bis es einen Energieimpuls erkennt, die Energie erntet und sie in einem niederimpedanten Energiespeicher (wie einem Kondensator) speichert. Nach einem kurzen Power-on-Reset nutzt das System die begrenzte Energie, die aus dem Impuls gesammelt wurde, um notwendige Systemfunktionen auszuführen. Ein kontinuierlicher Betrieb wird erreicht, indem die gesamte Energie, die während der Aufgabenausführung verbraucht wird, mit der aus einem einzelnen Impuls gewonnenen Energie ausgeglichen wird. Ein Beispiel für diesen Systemtyp ist ein drahtloser Lichtschalter, der Energie durch einen mechanischen Schalter erzeugt, um ein RF-Signal an einen Empfänger am Lichtkörper zu senden.

Konventionelle Batterien wie Knopfzellen, AA-Lithium-Batterien und Lithium-Thionylchlorid-Batterien werden seit Jahren in eingebetteten Systemen verwendet, die lange Lebensdauern erfordern. Die Einführung von Dünnfilm-Batterien bietet Systemdesignern eine neue Möglichkeit, Kosten, Größe und Sicherheit in Einklang zu bringen. Da Entwickler ständig unter Druck stehen, die Systemkosten zu senken, erscheinen wirtschaftliche Knopfzellen möglicherweise als die beste Lösung, um die Herstellungskosten zu senken und Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Allerdings entstehen beim Austausch von Knopfzellen versteckte Kosten. Wenn man bedenkt, dass die gesamte Lebensdauer-Energiekapazität einer Dünnfilm-Batterie die von dreißig CR2032-Knopfzellen übersteigt, kommt man schnell zu dem Schluss, dass die Anfangskosten einer Dünnfilm-Batterie im Vergleich zu den Kosten für den Austausch von Knopfzellen dreißig Mal vernachlässigbar sind und die Lebensdauer des eingebetteten Systems mehrfach übertreffen.

Bei der Betrachtung der Batteriengröße haben Dünnschichtbatterien das dünnste Profil aller Batterietypen (so klein wie 0,17 mm). Die gesamte Lebenszeitkapazität einer Dünnschichtbatterie entspricht vier Lithium-"AA"-Batterien oder einer einzigen "C"-Lithium-Thionylchlorid-Batterie, was Dünnschichtbatterien ideal für platzbeschränkte Embedded-Systeme macht, die ein ultradünnes Profil und eine lange Batterielebensdauer erfordern.

Darüber hinaus stellen Dünnschichtbatterien nicht die Sicherheitsrisiken dar, die mit größeren herkömmlichen Batterien verbunden sind, wie beispielsweise Entflammbarkeit und Explosionsgefahr. Da Dünnschichtbatterien wiederaufladbar sind, speichern sie zu jedem Zeitpunkt nur einen Teil ihrer gesamten Lebensdauerleistung, was sie bei einem unbeabsichtigten Kurzschluss oder bei extremen Temperaturen oder offenem Feuer sicherer macht. Dünnschichtbatterien erzeugen auch deutlich weniger Abfall als größere herkömmliche Batterien, die oft auf Deponien landen, anstatt recycelt zu werden.

Energieerntung-Referenzdesign beschleunigt die Produktentwicklung

Der Energieverbrauch war schon immer ein kritisches Thema, das den Betrieb von batteriebetriebenen IoT-Geräten beeinflusst. Verschiedene Organisationen hinter drahtlosen Standards sind bestrebt, die Erwartungen der Verbraucher an die Reduzierung des Energieverbrauchs von Geräten in diesem Bereich zu erfüllen. Zigbee Green Power ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Energierückgewinnung in der drahtlosen Kommunikationsgestaltung berücksichtigt wird.

Silicon Labs und Arrow Electronics haben gemeinsam ein Energieerntungs-Referenzdesign entwickelt, das auf dem EFR32MG22 System-on-Chip (SoC) von Silicon Labs basiert. Dieses Design kombiniert einen Zigbee Green Power-Lichtschalter mit Energieerntungs-leistungsmanagement. Das MG22 ist für das Zigbee-Protokoll ausgelegt, kompakt in der Größe und verfügt über fortschrittliche Sicherheitsfunktionen, was es zur idealen Wahl für ultraniedrigleistungs-Endgeräte macht. Silicon Labs bietet zudem energieeffiziente Leistungsmanagement-ICs wie den EFP0111 an, um bessere Leistungsmanagementfähigkeiten bereitzustellen. Zusätzlich stellt Silicon Labs MCUs, drahtlose Starterkits und Simplicity Studio, eine leistungsstarke Entwicklungs- und Debugging-Umgebung, zur Verfügung, um Kunden dabei zu helfen, Energieerntungssysteme schnell zu entwickeln.

Das Kernelement dieses Designs ist der Energy Harvesting Generator, und dieses Referenzdesign verwendet das monostabile Generatormodul von ZF. Dies ist ein bidirektionaler Schaltergenerator, was bedeutet, dass Energie sowohl beim Drücken als auch beim Loslassen des Schalters erzeugt wird. Der Schalter hat einen Magneten mit zwei Polen, und das Drücken des Schalters erzeugt ein Magnetfeld, das durch den Kern zum anderen Pol gelangt. Wenn der Benutzer dann den Schalter loslässt, ändert sich das Magnetfeld und passiert den Kern in die entgegengesetzte Richtung. Dieses sich ändernde Magnetfeld erzeugt einen Strom, der die geerntete Energie darstellt. Wird der ZF-Generator gedrückt oder losgelassen, erzeugt er eine Wechselspannung, und das System kann diese mechanische Energie nutzen, um ein Licht einzuschalten. Das ultimative Ziel ist es, das Licht ohne Verkabelung zwischen dem Schalter und der Leuchte ein- und ausschalten zu können.

Das Betreiben von IoT-Geräten ist eine energieintensive Aufgabe. Die Innovation neuer Methoden zur Energieversorgung von Geräten ohne Batterien wird die Entwicklung vereinfachen und helfen, eine sauberere Umwelt zu schaffen. Beispielsweise reicht die Energie, die benötigt wird, um eine LED einmal blinken zu lassen, aus, um mehrere RF-Signale zu übertragen. Die Kombination aus stromsparenden Silizium-Designs und für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch optimierten Netzwerken wird die Grundlage für ein neues Zeitalter des Energiemanagements bilden und erhebliche Kosten und Abfall für Hersteller und Verbraucher reduzieren.

Hochleistungsfähige, energiesparende Energiemanagementlösungen

Silicon Labs hat die EFR32MG22 (MG22) Serie SoCs vorgestellt, optimierte Zigbee-Lösungen, die branchenführende Energieeffizienz für IoT-Anwendungen wie Smart-Home-Sensoren, Lichtsteuerungen und Gebäude- sowie Industrieautomatisierung bieten.

Die EFR32MG22 und EFR32MG22E Zigbee SoC-Lösungen sind Teil der Wireless Gecko Series 2-Plattform. Die MG22-Familie bietet eine optimierte Zigbee-SoC-Lösung, die einen leistungsstarken, energiesparenden 76.8 MHz ARM® Cortex®-M33-Kern mit TrustZone integriert. MG22 ermöglicht die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen, während das MG22E ("E" für Energieeinsparung) die energieeinsparenden Vorteile weiter verbessert, indem die Batterielebensdauer verlängert wird und vollständig batteriefreie Designs unterstützt werden. Das MG22 SoC kombiniert ultra-niedrigen Sende- und Empfangsleistungsverbrauch (+6 dBm bei 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), 1.4 µA Tiefschlafmodus-Leistung und energiesparende Peripheriegeräte, um eine branchenführende energiesparende Lösung für Zigbee-Protokoll-Anwendungen einschließlich Green Power bereitzustellen.

Der EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) von Silicon Labs ist ein flexibler, hocheffizienter Multi-Output-Power-Management-IC, der eine vollständige Systemstromversorgung für EFR32- und EFM32-Geräte bietet. Er verfügt über drei Ausgangsspannungsschienen und die Fähigkeit zur Coulomb-Zählung von Primärzellenbatterien. Der EFP0111-Boost-Bootstrap-PMIC kann innerhalb eines Spannungsbereichs von 1,7 bis 5,2 Volt betrieben werden und hat einen Ruhemodusstrom von nur 150 nA. Der EFP0111GM20 unterstützt eine breite Palette von Batterien von 1,5 bis 5,5 Volt und bietet Flexibilität für verschiedene Batterietechnologien, während er die Energieeffizienz der EFR32- und EFM32-Geräte verbessert.

Die Si10xx Sub-GHz Wireless-MCUs von Silicon Labs kombinieren leistungsstarke Wireless-Konnektivitätstechnologie mit einem extrem stromsparenden Mikrocontroller in einem kompakten Formfaktor von 5 x 6 mm. Die Geräte unterstützen Frequenzbänder von 142 bis 1050 MHz, einschließlich eines integrierten, fortschrittlichen Paketverarbeitungs-Engines und einer Link-Budget-Fähigkeit von bis zu 146 dB. Die Geräte sind optimiert durch die Reduzierung von TX-, RX-, Aktiv- und Schlafmodusströmen und unterstützen schnelle Aufwachzeiten, um den Energieverbrauch für batteriebetriebene Anwendungen zu senken. Der Si106x MCU ist pin-kompatibel mit den Si108x Geräten, mit einem Flash-Kapazitätsbereich von 8 bis 64 kB und robusten analogen und digitalen Peripherien, einschließlich ADC, Dual-Vergleichern, Timern und GPIO. Alle Geräte sind so konzipiert, dass sie mit dem 802.15.4g Smart Metering-Standard übereinstimmen und internationale regulatorische Standards unterstützen, einschließlich FCC-, ETSI- und ARIB-Spezifikationen.

Fazit

Die Energieerntetechnologie hat an Beliebtheit gewonnen und wird in den kommenden Jahren voraussichtlich noch weiter verbreitet sein, aufgrund der vielen Vorteile, die sie für das Design eingebetteter Systeme bietet. Ein korrekt entworfenes Energieerntesystem kann, sobald es den anfänglichen Power-On-Reset überwindet, unbegrenzt betrieben werden. Mit sorgfältigem Systemdesign kann die Lebensdauer eines Energieerntesystems auf über 20 Jahre verlängert werden. Dünnschichtbatterien werden häufig in Energieerntesystemen verwendet, aufgrund ihres ultra-dünnen Profils und ihrer niedrigen Leckage-Eigenschaften. Die Fähigkeit, selbsterhaltende eingebettete Systeme ohne eine Hauptstromversorgung oder herkömmliche austauschbare Batterien zu entwerfen, eröffnet neue Möglichkeiten für Anwendungen und bereitet den Weg für neue Bereiche in der Entwicklung eingebetteter Systeme. Die von Silicon Labs eingeführten MG22-Serie Zigbee-SoC-Lösungen, EFP0111GM20 energieeffiziente Power-Management-IC und Si10xx Sub-GHz Wireless-MCU können exzellente Kontrolle des Stromverbrauchs für Energieerntesysteme bieten und den langfristigen Betrieb eingebetteter Systeme ohne den Aufwand eines Batteriewechsels gewährleisten.