Diseño de energía perpetua para sistemas embebidos utilizando tecnología de recolección de energía

Persiguiendo el logro de la operación perpetua en sistemas de recolección de energía

La tecnología de recolección de energía se está convirtiendo rápidamente en una opción de alimentación viable para los diseñadores de sistemas embebidos, permitiendo el uso de sensores inalámbricos en aplicaciones donde los diseños alimentados por baterías tradicionales eran previamente inviables. Por ejemplo, las fuentes de energía de recolección permiten a los diseñadores de sistemas construir fácilmente sensores inalámbricos ultra-delgados con un alcance de más de 100 metros y una vida útil superior a 20 años.

El objetivo final de los sistemas de recolección de energía es lograr una operación perpetua. Un sistema de recolección de energía puede lograr una operación perpetua asegurando que la energía recolectada iguale o supere la energía consumida por el sistema durante la operación. La gestión de energía es un aspecto crítico en el diseño de un sistema de recolección de energía. El primer paso es determinar la potencia de salida disponible del recolector. Los recolectores de energía pueden convertir energía solar, mecánica o térmica en energía eléctrica. Los recolectores solares tienen la mayor densidad de potencia, capaces de recolectar 15 mW/cm² de área de superficie. Maximizar la potencia de salida del recolector de energía es crucial para construir un sistema de recolección de energía robusto.

El aspecto más importante de diseñar un sistema de recolección de energía es proporcionar suficiente funcionalidad mientras se minimiza el consumo de energía del sistema embebido. Al seleccionar componentes con especificaciones de baja fuga y usar microcontroladores (MCUs) de ultra bajo consumo, como los MCUs inalámbricos Si10xx de Silicon Labs, se puede lograr un bajo consumo de energía. La mayoría de las técnicas utilizadas para lograr un funcionamiento de bajo consumo en sistemas alimentados por batería pueden aplicarse para minimizar el consumo de energía en sistemas de recolección de energía.

Consideremos un ejemplo de un nodo sensor inalámbrico alimentado por energía solar que transmite datos cada 20 minutos con una corriente promedio de 10 µA. Este sistema está equipado con un panel solar que puede proporcionar una corriente continua de 50 µA durante las horas de luz diurna. La corriente neta disponible para cargar la batería durante el día es de 40 µA, y por la noche, la batería se descarga a una tasa de 10 µA. Siempre que el sistema esté expuesto a al menos 4.8 horas de luz solar cada día, el sistema de recolección de energía puede lograr una operación perpetua.

Balance del promedio de potencia de las baterías de película delgada en la recolección y consumo de energía

Existen dos tipos de sistemas de captación de energía capaces de lograr una operación perpetua, cada uno con diferentes mecanismos de almacenamiento de energía. El primer tipo requiere largos períodos para captar y acumular energía, utilizando contenedores de energía de baja fuga y alta capacidad, como baterías de película delgada. La operación perpetua se logra equilibrando la energía media captada con el consumo medio de energía. Estos sistemas de captación de energía son los más flexibles y suelen experimentar ráfagas cortas de alto consumo energético. Permanecen en modo de suspensión de bajo consumo la mayor parte del tiempo, siempre alimentados y captando energía de manera continua. Un ejemplo de este tipo de sistema es un nodo sensor inalámbrico con energía solar.

El segundo tipo de sistema de recolección de energía permanece sin alimentación hasta que detecta un pulso de energía, recolecta la energía y la almacena en un contenedor de energía de baja impedancia (como un capacitor). Después de un breve reinicio de encendido, el sistema utiliza la energía limitada recolectada del pulso para realizar las funciones necesarias del sistema. Se logra una operación perpetua al equilibrar la energía total consumida durante la ejecución de la tarea con la energía recolectada de un solo pulso. Un ejemplo de este tipo de sistema es un interruptor de luz inalámbrico, que utiliza la energía generada por un interruptor mecánico para transmitir una señal RF a un receptor ubicado en la luminaria.

Las baterías convencionales, como las de pastilla, las baterías de litio AA y las baterías de cloruro de tionil-litio, se han utilizado durante años en sistemas integrados que requieren una larga vida útil. La introducción de baterías de película delgada ofrece a los diseñadores de sistemas una nueva opción para equilibrar el costo, el tamaño y la seguridad. A medida que los desarrolladores se enfrentan continuamente a la presión de reducir los costos del sistema, las económicas baterías de pastilla pueden parecer la mejor solución para reducir los costos de fabricación y llevar los productos al mercado rápidamente. Sin embargo, reemplazar las baterías de pastilla conlleva costos ocultos. Si consideras que la capacidad total de almacenamiento de energía durante la vida útil de una batería de película delgada supera a la de treinta baterías de pastilla CR2032, concluyes rápidamente que el costo inicial de una batería de película delgada es insignificante en comparación con el costo de reemplazar una batería de pastilla treinta veces y supera el ciclo de vida del sistema integrado varias veces.

Al considerar el tamaño de la batería, las baterías de película delgada tienen el perfil más delgado de todos los tipos de baterías (tan pequeñas como 0,17 mm). La capacidad total de vida útil de una batería de película delgada es equivalente a cuatro baterías de litio "AA" o una sola batería de cloruro de tionilo de litio tamaño "C", lo que hace que las baterías de película delgada sean ideales para sistemas incrustados con limitaciones de espacio que requieren un perfil ultra delgado y una larga duración de la batería.

Además, las baterías de película delgada no presentan los riesgos de seguridad asociados con las baterías convencionales más grandes, como la inflamabilidad y los riesgos de explosión. Debido a que las baterías de película delgada son recargables, almacenan solo una parte de su capacidad total de por vida en cualquier momento dado, lo que las hace más seguras en caso de un cortocircuito accidental o exposición a calor extremo o a una llama abierta. Las baterías de película delgada también producen significativamente menos desechos que las baterías convencionales más grandes, que a menudo terminan en vertederos en lugar de ser recicladas.

El diseño de referencia para recolección de energía acelera el desarrollo de productos

El consumo de energía siempre ha sido un tema crítico que afecta el funcionamiento de los dispositivos IoT alimentados por batería. Varias organizaciones detrás de los estándares inalámbricos están dedicadas a ayudar a cumplir las expectativas de los consumidores para reducir el consumo de energía de los dispositivos en este campo. Zigbee Green Power es un gran ejemplo de la consideración de la cosecha de energía en el diseño de comunicación inalámbrica.

Silicon Labs y Arrow Electronics han desarrollado conjuntamente un diseño de referencia de recolección de energía basado en el System-on-Chip (SoC) EFR32MG22 de Silicon Labs. Este diseño combina un interruptor de luz Zigbee Green Power con gestión de energía de recolección. El MG22 está diseñado para el protocolo Zigbee, es compacto en tamaño y cuenta con funciones de seguridad avanzadas, lo que lo convierte en una elección ideal para dispositivos finales de ultra baja potencia. Silicon Labs también ofrece circuitos integrados de gestión de energía eficientes, como el EFP0111, para proporcionar mejores capacidades de gestión de energía. Además, Silicon Labs proporciona MCUs, kits de inicio inalámbricos y Simplicity Studio, un potente entorno de desarrollo y depuración, para ayudar a los clientes a desarrollar rápidamente sistemas de recolección de energía.

El elemento central de este diseño es el generador de recolección de energía, y este diseño de referencia utiliza el módulo generador monostable de ZF. Este es un generador de interruptor bidireccional, lo que significa que se genera energía tanto cuando se presiona como cuando se suelta el interruptor. El interruptor tiene un imán con dos polos, y al presionar el interruptor se genera un campo magnético que pasa a través del núcleo y regresa al otro polo. Luego, cuando el usuario suelta el interruptor, el campo magnético cambia y pasa a través del núcleo en la dirección opuesta. Este campo magnético cambiante genera una corriente, que es la energía que se puede recolectar. Cuando se presiona o se suelta el generador de ZF, genera un voltaje de CA, y el sistema puede utilizar esta energía mecánica para encender una luz. El objetivo final es poder encender y apagar la luz sin cableado entre el interruptor y la lámpara.

Alimentar dispositivos IoT es una tarea intensiva en energía. Innovar nuevos métodos de alimentación de dispositivos sin baterías simplificará el desarrollo y ayudará a crear un entorno más limpio. Por ejemplo, la energía requerida para hacer parpadear un LED una vez es suficiente para transmitir múltiples señales RF. La combinación de diseños de silicio de bajo consumo y redes optimizadas para aplicaciones de bajo consumo sentará las bases para una nueva era de gestión de energía, reduciendo costos significativos y residuos para fabricantes y consumidores.

Soluciones de gestión de energía de alto rendimiento y bajo consumo

Silicon Labs ha introducido la serie de SoCs EFR32MG22 (MG22), soluciones Zigbee optimizadas que ofrecen una eficiencia energética líder en la industria para aplicaciones de IoT como sensores para el hogar inteligente, controles de iluminación y automatización de edificios e industrial.

Las soluciones SoC EFR32MG22 y EFR32MG22E Zigbee son parte de la plataforma Wireless Gecko Series 2. La familia MG22 ofrece una solución SoC Zigbee optimizada, integrando un núcleo ARM® Cortex®-M33 de alto rendimiento y bajo consumo de 76.8 MHz con TrustZone. MG22 permite crear aplicaciones energéticamente eficientes, mientras que MG22E ("E" para Conservación de Energía) mejora aún más las ventajas de ahorro de energía al extender la vida útil de la batería y apoyar diseños completamente sin batería. El SoC MG22 combina una transmisión y recepción de energía ultra baja (+6 dBm a 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), un modo de sueño profundo de 1.4 µA y periféricos de bajo consumo, proporcionando una solución líder en la industria para el ahorro de energía en aplicaciones del protocolo Zigbee, incluyendo Green Power.

El EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) de Silicon Labs es un CI de gestión de energía flexible, altamente eficiente y de salida múltiple que proporciona energía completa del sistema para los dispositivos EFR32 y EFM32, con tres rieles de voltaje de salida y capacidades de conteo Coulomb de batería de celda primaria. El PMIC de arranque EFP0111 boost puede operar dentro de un rango de voltaje de 1.7 a 5.2, con una corriente de reposo tan baja como 150 nA. El EFP0111GM20 admite una amplia gama de baterías de 1.5 a 5.5 voltios, ofreciendo flexibilidad para diferentes tecnologías de baterías mientras mejora la eficiencia energética de EFR32 y EFM32.

Los MCUs inalámbricos Sub-GHz Si10xx de Silicon Labs combinan tecnología de conectividad inalámbrica de alto rendimiento con procesamiento de microcontrolador de ultra bajo consumo en un formato compacto de 5 x 6 mm. Los dispositivos soportan bandas de frecuencia que van desde 142 hasta 1050 MHz, incluyendo un motor de manejo de paquetes avanzado integrado y una capacidad de presupuesto de enlace de hasta 146 dB. Los dispositivos están optimizados mediante la reducción de las corrientes en modo TX, RX, activo y de reposo, y soportan tiempos de activación rápidos, reduciendo el consumo de energía para aplicaciones con alimentación por batería. El MCU Si106x es compatible en pines con dispositivos Si108x, con capacidad de flash que escala de 8 a 64 kB, y robustos periféricos analógicos y digitales, incluyendo ADC, comparadores duales, temporizadores y GPIO. Todos los dispositivos están diseñados para cumplir con el estándar de medición inteligente 802.15.4g y soportan normas regulatorias a nivel mundial, incluidas las especificaciones de FCC, ETSI y ARIB.

Conclusión

La tecnología de recolección de energía se ha vuelto bastante popular y se espera que sea aún más extendida en los próximos años debido a los numerosos beneficios que ofrece para el diseño de sistemas embebidos. Un sistema de recolección de energía diseñado adecuadamente, una vez supera el restablecimiento inicial del encendido, puede operar indefinidamente. Con un diseño cuidadoso del sistema, la vida útil de un sistema de recolección de energía puede extenderse a más de 20 años. Las baterías de película delgada se utilizan comúnmente en sistemas de recolección de energía debido a su perfil ultradelgado y características de baja fuga. La capacidad de diseñar sistemas embebidos autosostenibles sin la necesidad de una fuente de alimentación principal o baterías convencionales reemplazables abre nuevas posibilidades para aplicaciones y allana el camino para nuevas áreas en el desarrollo de sistemas embebidos. Las soluciones Zigbee SoC de la serie MG22, el circuito integrado de gestión de energía eficiente EFP0111GM20 y el MCU inalámbrico Sub-GHz Si10xx introducidos por Silicon Labs pueden proporcionar un excelente control del consumo de energía para los sistemas de recolección de energía, asegurando el funcionamiento a largo plazo de los sistemas embebidos sin el inconveniente del reemplazo de baterías.