エネルギーハーベスティング技術を使用した組み込みシステムのための永久電力設計

エネルギーハーベスティングシステムにおける永続的な運用の実現を追求する

エネルギーハーベスト技術は急速に実用的な電力オプションとなり、埋め込みシステム設計者に新しい可能性をもたらしています。これにより、従来のバッテリー駆動設計では実現不可能だったアプリケーションで、ワイヤレスセンサーを使用することが可能になります。たとえば、エネルギーハーベスト電源を利用することで、設計者は100メートルを超える通信範囲と20年以上の寿命を持つ超薄型ワイヤレスセンサーを簡単に構築することができます。

エネルギーハーベスティングシステムの最終目標は、永久運用を達成することです。エネルギーハーベスティングシステムは、ハーベストされたエネルギーがシステムの運用時に消費されるエネルギーを上回る、または等しい場合に永久運用を実現できます。エネルギー管理は、エネルギーハーベスティングシステムを設計する上で重要な側面です。最初のステップは、ハーベスターの利用可能な出力電力を特定することです。エネルギーハーベスターは、太陽光、機械的、または熱エネルギーを電気エネルギーに変換できます。太陽光ハーベスターは最も高い電力密度を持ち、15 mW/cm²の表面積のエネルギーをハーベストすることが可能です。エネルギーハーベスターの出力電力を最大化することは、強固なエネルギーハーベスティングシステムを構築する上で非常に重要です。

エネルギーハーベスティングシステムを設計する上で最も重要な側面は、組込みシステムの消費電力を最小化しつつ、十分な機能性を提供することです。低リーク仕様のコンポーネントを選択し、Silicon LabsのSi10xxワイヤレスMCUのような超低消費電力のマイクロコントローラ（MCU）を使用することで、低消費電力を実現することができます。バッテリー駆動システムで低消費電力動作を達成するために使用されるほとんどの技術は、エネルギーハーベスティングシステムでの消費電力の削減にも適用可能です。

平均電流が10 µAで20分ごとにデータを送信する、ソーラーパワーを利用したワイヤレスセンサーノードの例を考えてみましょう。このシステムには昼間に連続して50 µAの電流を供給できるソーラーパネルが装備されています。昼間、バッテリーを充電するために利用可能な正味の電流は40 µAであり、夜間はバッテリーが10 µAの速度で放電します。このシステムが1日あたり少なくとも4.8時間日光を浴びることができれば、エネルギーハーベスティングシステムは永久動作を実現できます。

エネルギーハーベスティングと消費における薄膜電池の平均電力のバランス

永久的な運用を達成できるエネルギーハーベスティングシステムには、異なるエネルギー貯蔵機構を持つ2種類があります。最初のタイプは、長時間をかけてエネルギーを収集し蓄積するもので、薄膜電池などの低漏れ高容量のエネルギーコンテナを使用します。平均的な収集エネルギーと平均的な消費電力のバランスを取ることで、永久的な運用が実現されます。このタイプのエネルギーハーベスティングシステムは最も柔軟性が高く、通常は短時間の高出力消費を特徴とします。ほとんどの時間は低消費電力のスリープモードで動作し、常に電力供給されエネルギー収集を継続します。このタイプのシステムの例として、太陽電池を利用した無線センサーノードがあります。

第2種のエネルギーハーベスティングシステムは、エネルギーパルスを検出するまで電力供給がされず、そのエネルギーを収集し、低インピーダンスのエネルギーコンテナ（例えばコンデンサなど）に蓄えます。その後、短時間の電源オンリセット後、システムはパルスから収集された限られたエネルギーを使用して必要なシステム動作を行います。タスク実行時に消費される総エネルギーと単一のパルスから収集されたエネルギーを平衡させることで、永続的な動作を達成します。このタイプのシステムの例として、機械スイッチが生成するエネルギーを利用してRF信号を照明器具に位置する受信機に送信するワイヤレスライトスイッチが挙げられます。

従来の電池、例えばコイン電池、AAリチウム電池、リチウム-チオニル塩化物電池などは、長寿命を必要とする組み込みシステムで長年使用されてきました。薄膜電池の導入により、システム設計者はコスト、サイズ、安全性をバランスよく考える新たな選択肢を手にすることができます。開発者は常にシステムコストを削減するプレッシャーに直面しているため、経済的なコイン電池は製造コストを低く抑え、迅速に製品を市場に投入するための最良の解決策のように思えるかもしれません。しかし、コイン電池を交換するには隠れたコストも伴います。薄膜電池の総寿命エネルギー貯蔵容量が30個のCR2032コイン電池のそれを上回ることを考慮すると、薄膜電池の初期コストはコイン電池を30回交換するコストに比べて取るに足りず、さらに数回にわたり組み込みシステムのライフサイクルを上回ります。

バッテリーサイズを検討する際、薄膜バッテリーはすべてのバッテリータイプの中で最も薄いプロファイルを持っています（0.17mmの小ささ）。薄膜バッテリーの総寿命容量は、リチウム「AA」電池4本分や、リチウムチオニルクロライド「C」サイズ電池1本に相当します。そのため、薄膜バッテリーは超薄型プロファイルと長いバッテリー寿命を必要とする、スペースが制約された組込みシステムに最適です。

さらに、薄膜電池は、従来の大型バッテリーに関連する可燃性や爆発のリスクといった安全上の危険を伴いません。薄膜電池は充電可能であり、任意の時点でその全体的な寿命容量の一部のみを蓄えるため、偶発的なショート回路や極端な熱、または炎への露出時でも安全です。また、薄膜電池は従来の大型バッテリーよりも廃棄物を著しく少なくし、多くの場合リサイクルされることなく埋立地に送られることがありません。

エネルギーハーベスティングリファレンスデザインが製品開発を加速

消費電力はバッテリー駆動のIoTデバイスの運用に影響を与える重要な問題であり続けています。ワイヤレス規格の背後にあるさまざまな組織は、この分野のデバイスの消費電力を削減するという消費者の期待に応えるために取り組んでいます。Zigbee Green Powerは、ワイヤレス通信設計におけるエネルギーハーベスティングを考慮した素晴らしい例です。

Silicon LabsとArrow Electronicsは、Silicon LabsのEFR32MG22 System-on-Chip (SoC)に基づいたエネルギーハーベスティングのリファレンスデザインを共同開発しました。この設計はZigbee Green Powerライトスイッチとエネルギーハーベスティングの電力管理を組み合わせたものです。MG22はZigbeeプロトコル向けに設計されており、コンパクトなサイズと高度なセキュリティ機能を備えているため、超低消費電力のエンドデバイスに最適な選択肢です。また、Silicon Labsは、EFP0111のような省エネルギー型電力管理ICを提供しており、より優れた電力管理機能を実現します。さらに、Silicon Labsは、MCU、ワイヤレススターターキット、そして強力な開発およびデバッグ環境であるSimplicity Studioを提供し、顧客が迅速にエネルギーハーベスティングシステムを開発できるようサポートしています。

この設計の中核となる要素はエネルギーハーベスティング発電機であり、このリファレンスデザインにはZFのモノスタブル発電機モジュールが使用されています。これは双方向スイッチ発電機であり、スイッチを押し下げたときと放したときの両方でエネルギーが生成されます。スイッチには2つの極を持つ磁石が搭載されており、スイッチを押し下げると磁場がコアを通過してもう一方の極に戻ります。その後、ユーザーがスイッチを放すと磁場が変化し、反対方向にコアを通過します。この変化する磁場が電流を生成し、これがハーベスト可能なエネルギーとなります。ZF発電機が押されたり放されたりすると、AC電圧を生成し、この機械的エネルギーを利用してライトを点灯させることができます。最終的な目標は、スイッチと照明器具の間に配線することなくライトのオン/オフを切り替えることが可能になることです。

IoTデバイスの駆動はエネルギー集約的な作業です。バッテリーを使用せずにデバイスに電力を供給する新しい方法を革新することで、開発が簡素化され、よりクリーンな環境の創造に役立ちます。例えば、LEDを一度点滅させるのに必要なエネルギーで、複数のRF信号を送信することが可能です。低消費電力のシリコン設計と低消費電力アプリケーション向けに最適化されたネットワークの組み合わせにより、電力管理の新しい時代の基盤が築かれ、メーカーや消費者にとって大幅なコスト削減と廃棄物削減が可能になります。

高性能・低消費電力の電源管理ソリューション

Silicon Labsは、スマートホームセンサー、照明制御、建物および産業オートメーションなどのIoTアプリケーションにおいて業界をリードする省エネルギー効率を提供する最適化されたZigbeeソリューションであるEFR32MG22 (MG22) シリーズSoCを発表しました。

EFR32MG22およびEFR32MG22E Zigbee SoCソリューションは、Wireless Gecko Series 2プラットフォームの一部です。MG22ファミリーは最適化されたZigbee SoCソリューションを提供し、高性能かつ低消費電力の76.8 MHz ARM® Cortex®-M33コアをTrustZone付きで統合しています。MG22はエネルギー効率の高いアプリケーションの作成を可能にし、MG22E（“E”はエネルギー保存を意味します）はさらにバッテリー寿命を延ばし、完全にバッテリーなしのデザインをサポートすることでエネルギー節約の利点を強化します。MG22 SoCは、超低送信・受信電力（+6 dBmで8.2 mAのTX、3.9 mAのRX）、1.4 µAのディープスリープモードの消費電力、そして低消費電力ペリフェラルを組み合わせ、Green Powerを含むZigbeeプロトコルアプリケーション向けに業界をリードするエネルギー節約ソリューションを提供します。

Silicon Labs の EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) は柔軟性が高く、効率的で、多出力の電力管理 IC であり、EFR32 および EFM32 デバイス向けの完全なシステム電力を提供します。3 つの出力電圧レールと一次電池クーロン計数機能を備えています。EFP0111 ブーストブートストラップ PMIC は、電圧範囲 1.7 から 5.2 ボルト内で動作し、静止電流は 150 nA という低値です。EFP0111GM20 は 1.5 から 5.5 ボルトまでの幅広いバッテリーをサポートしており、さまざまなバッテリー技術に対応する柔軟性を提供し、EFR32 および EFM32 の電力効率を向上させます。

Silicon LabsのSi10xx Sub-GHz Wireless MCUは、高性能なワイヤレス接続技術と超低消費電力のマイクロコントローラ処理を組み合わせた、コンパクトな5 x 6 mmのフォームファクタで提供されます。これらのデバイスは、142から1050 MHzの周波数帯域に対応し、統合された高度なパケット処理エンジンや最大146 dBのリンクバジェット機能を備えています。デバイスは、TX、RX、アクティブ、およびスリープモードの電流を削減し、迅速なウェイクアップ時間をサポートすることで最適化されており、バッテリ駆動アプリケーションのエネルギー消費を抑えます。Si106x MCUはSi108xデバイスとピン互換があり、フラッシュ容量は8 kBから64 kBまでスケーリング可能であり、ADC、デュアルコンパレータ、タイマー、GPIOなどの堅牢なアナログおよびデジタル周辺機器を備えています。すべてのデバイスは、802.15.4gスマートメータリング規格に準拠するよう設計されており、FCC、ETSI、ARIBの仕様を含む世界的な規制標準をサポートしています。

結論

エネルギーハーベスティング技術は非常に人気が高まり、組込みシステム設計において提供される多くの利点により、今後さらに普及すると予想されています。適切に設計されたエネルギーハーベスティングシステムは、初期のパワーオンリセットを克服した後、無期限に動作することが可能です。慎重なシステム設計によって、エネルギーハーベスティングシステムの寿命を20年以上に延ばすことができます。薄膜バッテリーは、その超薄型プロファイルと低リーク特性のため、エネルギーハーベスティングシステムで一般的に使用されています。主電源や従来型の交換可能なバッテリーを必要とせずに自己持続型の組込みシステムを設計できる能力は、新しいアプリケーションの可能性を切り開き、組込みシステム開発における新たな分野の道を開きます。Silicon Labsが提供するMG22シリーズのZigbee SoCソリューション、EFP0111GM20エネルギー効率の高い電源管理IC、Si10xx Sub-GHzワイヤレスMCUは、エネルギーハーベスティングシステムに優れた電力消費管理を提供し、バッテリー交換の手間を省きつつ、組込みシステムの長期的な運用を保証します。