Conception d'une alimentation perpétuelle pour les systèmes embarqués utilisant la technologie de récupération d'énergie

Poursuite de l'accomplissement d'une opération perpétuelle dans les systèmes de récupération d'énergie

La technologie de récupération d'énergie devient rapidement une option d'alimentation viable pour les concepteurs de systèmes embarqués, permettant l'utilisation de capteurs sans fil dans des applications où les conceptions alimentées par batterie traditionnelles étaient auparavant irréalisables. Par exemple, les sources d'énergie de récupération permettent aux concepteurs de systèmes de construire facilement des capteurs sans fil ultra-minces avec une portée supérieure à 100 mètres et une durée de vie de plus de 20 ans.

L'objectif ultime des systèmes de récupération d'énergie est d'obtenir un fonctionnement perpétuel. Un système de récupération d'énergie peut parvenir à un fonctionnement perpétuel en s'assurant que l'énergie récupérée satisfait ou dépasse l'énergie consommée par le système pendant son fonctionnement. La gestion de l'énergie est un aspect critique de la conception d'un système de récupération d'énergie. La première étape consiste à déterminer la puissance disponible du récupérateur. Les récupérateurs d'énergie peuvent convertir l'énergie solaire, mécanique ou thermique en énergie électrique. Les récupérateurs solaires ont la densité de puissance la plus élevée, capable de récupérer 15 mW/cm² de surface. Maximiser la puissance de sortie du récupérateur d'énergie est crucial pour construire un système de récupération d'énergie robuste.

Le aspect le plus important de la conception d'un système de récupération d'énergie est de fournir une fonctionnalité suffisante tout en minimisant la consommation d'énergie du système embarqué. En choisissant des composants avec des spécifications de faible fuite et en utilisant des microcontrôleurs (MCU) ultra basse consommation, comme les MCU sans fil Si10xx de Silicon Labs, il est possible de parvenir à une faible consommation d'énergie. La plupart des techniques utilisées pour atteindre une faible consommation d'énergie dans les systèmes alimentés par batterie peuvent être appliquées pour minimiser la consommation d'énergie dans les systèmes de récupération d'énergie.

Considérons un exemple de nœud de capteur sans fil alimenté par l'énergie solaire qui transmet des données toutes les 20 minutes avec un courant moyen de 10 µA. Ce système est équipé d'un panneau solaire capable de fournir un courant continu de 50 µA pendant les heures de jour. Le courant net disponible pour charger la batterie pendant la journée est de 40 µA, et la nuit, la batterie se décharge à un débit de 10 µA. Tant que le système est exposé à au moins 4,8 heures de lumière solaire chaque jour, le système de récolte d'énergie peut atteindre une opération perpétuelle.

Équilibrer la puissance moyenne des batteries à couche mince dans la récolte et la consommation d'énergie

Il existe deux types de systèmes de récupération d'énergie capables de fonctionner en permanence, chacun avec des mécanismes de stockage d'énergie différents. Le premier type nécessite de longues périodes pour récolter et accumuler de l'énergie, utilisant des conteneurs d'énergie à faible fuite et à haute capacité, tels que les batteries à film mince. Le fonctionnement perpétuel est atteint en équilibrant l'énergie moyenne récoltée avec la consommation moyenne d'énergie. Ces systèmes de récupération d'énergie sont les plus flexibles et connaissent généralement de courtes rafales de consommation d'énergie élevée. Ils restent en mode veille à faible consommation la plupart du temps, toujours alimentés et récoltant continuellement de l'énergie. Un exemple de ce type de système est un nœud capteur sans fil alimenté par l'énergie solaire.

Le deuxième type de système de récolte d'énergie reste sans alimentation jusqu'à ce qu'il détecte une impulsion d'énergie, récolte l'énergie et la stocke dans un conteneur d'énergie à faible impédance (comme un condensateur). Après une brève réinitialisation à la mise sous tension, le système utilise l'énergie limitée collectée à partir de l'impulsion pour effectuer les fonctions système nécessaires. Un fonctionnement perpétuel est atteint en équilibrant l'énergie totale consommée pendant l'exécution des tâches avec l'énergie récoltée à partir d'une seule impulsion. Un exemple de ce type de système est un interrupteur d'éclairage sans fil, qui utilise l'énergie générée par un interrupteur mécanique pour transmettre un signal RF à un récepteur situé au niveau de l'appareil d'éclairage.

Les batteries conventionnelles, telles que les piles bouton, les piles au lithium AA et les batteries au lithium-chlorure de thionyle, ont été utilisées pendant des années dans des systèmes embarqués nécessitant une longue durée de vie. L'introduction des batteries à film mince offre aux concepteurs de systèmes une nouvelle option pour équilibrer coût, taille et sécurité. Alors que les développeurs doivent constamment réduire les coûts des systèmes, les piles bouton économiques peuvent sembler être la meilleure solution pour réduire les coûts de fabrication et commercialiser rapidement les produits. Toutefois, le remplacement des piles bouton entraîne des coûts cachés. Si l'on considère que la capacité totale de stockage d'énergie à vie d'une batterie à film mince dépasse celle de trente piles bouton CR2032, on conclut rapidement que le coût initial d'une batterie à film mince est négligeable par rapport au coût de remplacement de trente piles bouton et dépasse plusieurs fois le cycle de vie du système embarqué.

Lors de la considération de la taille de la batterie, les batteries à couche mince ont le profil le plus mince de tous les types de batteries (aussi petit que 0,17 mm). La capacité de vie totale d'une batterie à couche mince est équivalente à quatre batteries lithium "AA" ou à une seule batterie de taille "C" au lithium-thionyle chlorure, ce qui rend les batteries à couche mince idéales pour les systèmes embarqués où l'espace est limité, nécessitant un profil ultra-fin et une longue durée de vie de la batterie.

De plus, les batteries à film mince ne présentent pas les dangers de sécurité associés aux batteries conventionnelles plus grandes, tels que les risques d'inflammabilité et d'explosion. Étant donné que les batteries à film mince sont rechargeables, elles ne stockent qu'une partie de leur capacité totale à tout moment, ce qui les rend plus sûres en cas de court-circuit accidentel ou d'exposition à une chaleur extrême ou à une flamme ouverte. Les batteries à film mince produisent également beaucoup moins de déchets que les batteries conventionnelles plus grandes, qui finissent souvent dans les décharges plutôt que d'être recyclées.

La conception de référence pour la récupération d'énergie accélère le développement de produits

La consommation d'énergie a toujours été un problème crucial affectant le fonctionnement des appareils IoT alimentés par batterie. Différentes organisations derrière les normes sans fil s'emploient à répondre aux attentes des consommateurs en matière de réduction de la consommation d'énergie des appareils dans ce domaine. Zigbee Green Power est un excellent exemple de prise en compte de la récupération d'énergie dans la conception de la communication sans fil.

Silicon Labs et Arrow Electronics ont conjointement développé une conception de référence de récupération d'énergie basée sur le système sur puce (SoC) EFR32MG22 de Silicon Labs. Cette conception associe un interrupteur Zigbee Green Power à une gestion d'énergie par récupération. Le MG22 est conçu pour le protocole Zigbee, est compact et comporte des fonctions de sécurité avancées, ce qui en fait un choix idéal pour les appareils finaux à très faible consommation d'énergie. Silicon Labs propose également des CI de gestion d'énergie efficaces, tels que l'EFP0111, pour offrir de meilleures capacités de gestion d'énergie. De plus, Silicon Labs fournit des MCU, des kits de démarrage sans fil et Simplicity Studio, un environnement de développement et de débogage puissant, pour aider les clients à développer rapidement des systèmes de récupération d'énergie.

L'élément central de ce design est le générateur de récupération d'énergie, et cette conception de référence utilise le module générateur monostable de ZF. Il s'agit d'un générateur de commutateur bidirectionnel, ce qui signifie que l'énergie est générée à la fois lorsque l'interrupteur est enfoncé et relâché. L'interrupteur possède un aimant avec deux pôles, et appuyer sur l'interrupteur génère un champ magnétique qui passe par le noyau et revient vers l'autre pôle. Ensuite, lorsque l'utilisateur relâche l'interrupteur, le champ magnétique change et passe par le noyau dans la direction opposée. Ce champ magnétique changeant génère un courant, qui est l'énergie pouvant être récupérée. Lorsque le générateur ZF est pressé ou relâché, il génère une tension AC, et le système peut utiliser cette énergie mécanique pour allumer une lumière. L'objectif ultime est de pouvoir allumer et éteindre la lumière sans câblage entre l'interrupteur et le luminaire.

Alimenter les dispositifs IoT est une tâche énergivore. Innover de nouvelles méthodes pour alimenter les dispositifs sans batteries simplifiera le développement et contribuera à créer un environnement plus propre. Par exemple, l'énergie nécessaire pour faire clignoter une LED une fois suffit à transmettre plusieurs signaux RF. La combinaison de conceptions en silicium à faible consommation d'énergie et de réseaux optimisés pour les applications à faible consommation jettera les bases d'une nouvelle ère de gestion de l'énergie, réduisant considérablement les coûts et les déchets pour les fabricants et les consommateurs.

Solutions de gestion de l'énergie haute performance et basse consommation

Silicon Labs a introduit la série de SoC EFR32MG22 (MG22), des solutions Zigbee optimisées qui offrent une efficacité énergétique de pointe aux applications IoT telles que les capteurs domestiques intelligents, les contrôles d'éclairage, et l'automatisation des bâtiments et industrielle.

Les solutions SoC Zigbee EFR32MG22 et EFR32MG22E font partie de la plateforme Wireless Gecko Series 2. La famille MG22 offre une solution SoC Zigbee optimisée, intégrant un cœur ARM® Cortex®-M33 haute performance et basse consommation de 76,8 MHz avec TrustZone. MG22 vous permet de créer des applications économes en énergie, tandis que le MG22E (« E » pour Conservation de l'Énergie) améliore encore les avantages en matière d'économie d'énergie en prolongeant la durée de vie des batteries et en soutenant des conceptions complètement sans batterie. Le SoC MG22 combine une puissance de transmission et de réception ultra-faible (+6 dBm à 8,2 mA TX, 3,9 mA RX), une consommation en mode veille profonde de 1,4 µA et des périphériques basse consommation, offrant une solution d'économie d'énergie de premier plan pour les applications du protocole Zigbee, y compris Green Power.

L’EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) de Silicon Labs est un circuit intégré de gestion d'alimentation flexible, très efficace et à sorties multiples, fournissant une alimentation système complète pour les appareils EFR32 et EFM32, avec trois rails de tension de sortie et des capacités de comptage de Coulomb pour les batteries à cellule primaire. Le EFP0111 boost Bootstrap PMIC peut fonctionner dans une plage de tension de 1,7 à 5,2, avec un courant de repos aussi bas que 150 nA. L’EFP0111GM20 prend en charge une large gamme de batteries de 1,5 à 5,5 volts, offrant une flexibilité pour différentes technologies de batteries tout en améliorant l'efficacité énergétique des EFR32 et EFM32.

Les MCU sans fil Sub-GHz Si10xx de Silicon Labs combinent une technologie de connectivité sans fil haute performance avec une unité de traitement microcontrôleur à ultra-faible consommation dans un format compact de 5 x 6 mm. Les appareils prennent en charge des bandes de fréquence allant de 142 à 1050 MHz, incluant un moteur de gestion de paquets avancé intégré et une capacité de budget de liaison allant jusqu'à 146 dB. Les appareils sont optimisés en réduisant les courants en mode TX, RX, actif et veille, et en supportant des temps de réveil rapides, réduisant ainsi la consommation d'énergie pour les applications alimentées par batterie. Le MCU Si106x est compatible avec les broches des appareils Si108x, avec une capacité de flash à l'échelle de 8 à 64 kB, et des périphériques analogiques et numériques robustes, incluant des ADC, des double comparateurs, des minuteries et des GPIO. Tous les appareils sont conçus pour se conformer à la norme de comptage intelligent 802.15.4g et prennent en charge les normes réglementaires mondiales, y compris les spécifications FCC, ETSI et ARIB.

Conclusion

La technologie de récupération d'énergie est devenue assez populaire et devrait se répandre encore plus dans les années à venir en raison des nombreux avantages qu'elle offre pour la conception de systèmes embarqués. Un système de récupération d'énergie correctement conçu, une fois qu'il surmonte le redémarrage initial, peut fonctionner indéfiniment. Avec une conception soignée du système, la durée de vie d'un système de récupération d'énergie peut être prolongée à plus de 20 ans. Les batteries à film mince sont couramment utilisées dans les systèmes de récupération d'énergie en raison de leur profil ultra-mince et de leurs caractéristiques de faible fuite. La capacité à concevoir des systèmes embarqués autonomes sans besoin d'une alimentation principale ou de batteries remplaçables conventionnelles ouvre de nouvelles possibilités d'applications et prépare la voie à de nouveaux domaines dans le développement de systèmes embarqués. Les solutions Zigbee SoC série MG22, le circuit intégré de gestion d'énergie efficace EFP0111GM20 et le MCU sans fil Sub-GHz Si10xx introduits par Silicon Labs peuvent fournir un excellent contrôle de la consommation d'énergie pour les systèmes de récupération d'énergie, garantissant un fonctionnement à long terme des systèmes embarqués sans les désagréments du remplacement de la batterie.