Entwurf von kontinuierlicher Energieversorgung für eingebettete Systeme mittels Energierückgewinnungstechnologie

Das Streben nach der Erreichung des kontinuierlichen Betriebs in Energiegewinnungssystemen

Die Technologie der Energierückgewinnung wird zunehmend zu einer praktikablen Stromquelle für Entwickler eingebetteter Systeme, wodurch der Einsatz drahtloser Sensoren in Anwendungen ermöglicht wird, bei denen traditionelle batteriebetriebene Designs zuvor nicht realisierbar waren. Beispielsweise ermöglichen Energiegewinnungs-Stromquellen Systementwicklern, mühelos ultra-dünne 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 Dauerbetrieb. Ein Energy-Harvesting-System kann Dauerbetrieb erreichen, indem sichergestellt wird, dass die geerntete Energie den Energieverbrauch des Systems während des Betriebs deckt oder übertrifft. Energiemanagement ist ein entscheidender Aspekt beim Design 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 Energiedichte und sind in der Lage, 15 mW/cm² 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 Gestaltung eines Energy-Harvesting-Systems besteht darin, ausreichende Funktionalität bereitzustellen und gleichzeitig den Energieverbrauch des eingebetteten Systems zu minimieren. Durch die Auswahl von Komponenten mit niedrigen Leckagespezifikationen und die Verwendung von Ultra-Niedrigleistungs-Mikrocontrollern (MCUs), wie den Si10xx Wireless-MCUs von Silicon Labs, kann ein geringer Energieverbrauch erreicht werden. Die meisten der Techniken, die in batteriebetriebenen Systemen zur Umsetzung eines Niedrigenergieverbrauchs eingesetzt werden, können ebenfalls angewendet werden, um den Energieverbrauch 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 Solarpanel ausgestattet, das während der Tagesstunden einen kontinuierlichen Strom von 50 µA liefern kann. Der Netto-Strom, der während des Tages zum Laden der Batterie verfügbar ist, 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 Energieerntesystem einen kontinuierlichen Betrieb erreichen.

Den durchschnittlichen Energieverbrauch von Dünnschichtbatterien im Energierückgewinnung und -verbrauch ausgleichen

Es gibt zwei Arten von Energieerntesystemen, die eine dauerhafte Betriebsfähigkeit erreichen können, wobei jede einen unterschiedlichen Energiespeichermechanismus nutzt. Der erste Typ benötigt lange Zeiträume, um Energie zu sammeln und zu speichern, und verwendet energieeffiziente Behälter mit hoher Kapazität, wie Dünnschichtbatterien. Dauerhafter Betrieb wird durch das Ausbalancieren der durchschnittlich geernteten Energie mit dem durchschnittlichen Energieverbrauch erreicht. Diese Energieerntesysteme sind am flexibelsten und haben typischerweise kurze Phasen mit hohem Energieverbrauch. Sie befinden sich die meiste Zeit im Niedrigenergie-Schlafmodus, sind stets mit Energie versorgt und sammeln kontinuierlich Energie. Ein Beispiel für diese Art von System ist ein solarbetriebenes drahtloses Sensorknoten.

Der zweite Typ des Energieerntesystems bleibt ohne Strom, bis er einen Energieimpuls erkennt, die Energie erntet und in einem Niederimpedanz-Energiespeicher (wie beispielsweise 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. Eine kontinuierliche Betriebsfähigkeit wird dadurch erreicht, dass der gesamte Energieverbrauch während der Aufgabenbearbeitung mit der aus einem einzelnen Impuls gewonnenen Energie ausgeglichen wird. Ein Beispiel für diese Art von System ist ein drahtloser Lichtschalter, der die Energie nutzt, die durch einen mechanischen Schalter erzeugt wird, um ein RF-Signal an einen Empfänger in der Leuchte zu senden.

Konventionelle Batterien, wie Knopfzellen, AA-Lithium-Batterien und Lithium-Thionylchlorid-Batterien, werden seit Jahren in eingebetteten Systemen eingesetzt, die eine lange Lebensdauer erfordern. Die Einführung von Dünnschichtbatterien bietet Systementwicklern eine neue Möglichkeit, Kosten, Größe und Sicherheit auszugleichen. Da Entwickler ständig dem Druck ausgesetzt sind, Systemkosten zu senken, mögen kostengünstige Knopfzellen die beste Lösung erscheinen, um Herstellkosten zu reduzieren und Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Allerdings entstehen bei der Ersetzung von Knopfzellen versteckte Kosten. Wenn man bedenkt, dass die gesamte Lebensdauer-Energiespeicherkapazität einer Dünnschichtbatterie die von dreißig CR2032-Knopfzellen übersteigt, kommt man schnell zu dem Schluss, dass die Anfangskosten einer Dünnschichtbatterie im Vergleich zu den Kosten für den dreißigmaligen Austausch einer Knopfzelle und der mehrmals übertroffenen Lebensdauer des eingebetteten Systems vernachlässigbar sind.

Beim Betrachten der Batteriekapazität haben Dünnschichtbatterien das dünnste Profil aller Batterietypen (nur 0,17 mm dünn). Die Gesamtlebensdauer einer Dünnschichtbatterie entspricht vier Lithium-"AA"-Batterien oder einer einzigen Lithium-Thionylchlorid-Batterie in "C"-Größe, wodurch Dünnschichtbatterien ideal für platzbeschränkte eingebettete Systeme sind, die ein ultradünnes Profil und eine lange Batterielebensdauer erfordern.

Darüber hinaus bergen Dünnschicht-Batterien nicht die Sicherheitsrisiken, die mit größeren herkömmlichen Batterien verbunden sind, wie Entflammbarkeit und Explosionsgefahren. Da Dünnschicht-Batterien wiederaufladbar sind, speichern sie zu jedem Zeitpunkt nur einen Teil ihrer Gesamtkapazität über die gesamte Lebensdauer, was sie im Falle eines versehentlichen Kurzschlusses oder einer Aussetzung extremer Hitze oder offenen Flammen sicherer macht. Dünnschicht-Batterien erzeugen zudem deutlich weniger Abfall als größere herkömmliche Batterien, die oft auf Müllhalden landen, anstatt recycelt zu werden.

Referenzdesign für Energiegewinnung beschleunigt Produktentwicklung

Der Stromverbrauch war schon immer ein entscheidendes Thema, das den Betrieb von batteriebetriebenen IoT-Geräten beeinflusst. Verschiedene Organisationen hinter den drahtlosen Standards sind bestrebt, den Verbrauchererwartungen hinsichtlich der Reduzierung des Stromverbrauchs von Geräten in diesem Bereich gerecht zu werden. Zigbee Green Power ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Energiegewinnung in der Gestaltung drahtloser Kommunikation berücksichtigt wird.

Silicon Labs und Arrow Electronics haben gemeinsam ein Referenzdesign für Energy Harvesting entwickelt, das auf dem EFR32MG22 System-on-Chip (SoC) von Silicon Labs basiert. Dieses Design kombiniert einen Zigbee Green Power Lichtschalter mit einem Energy Harvesting Power Management. Der MG22 ist für das Zigbee-Protokoll entwickelt, kompakt in der Größe und verfügt über fortschrittliche Sicherheitsfunktionen, wodurch er eine ideale Wahl für ultra-niedrigenergie Endgeräte darstellt. Silicon Labs bietet zudem energieeffiziente Power-Management-ICs, wie beispielsweise den EFP0111, um optimierte Strommanagement-Funktionen zur Verfügung zu stellen. Darüber hinaus stellt Silicon Labs Mikrocontroller (MCUs), kabellose Starterkits und Simplicity Studio, eine leistungsstarke Entwicklungs- und Debugging-Umgebung, bereit, um Kunden bei der schnellen Entwicklung von Energy Harvesting-Systemen zu unterstützen.

Das Kernelement dieses Designs ist der energieerzeugende Generator, und bei diesem Referenzdesign wird das monostabile Generatormodul von ZF verwendet. Es handelt sich um einen bidirektionalen Schaltergenerator, was bedeutet, dass Energie sowohl beim Drücken als auch beim Loslassen des Schalters erzeugt wird. Der Schalter enthält einen Magneten mit zwei Polen, und durch das Drücken des Schalters entsteht ein Magnetfeld, das durch den Kern hindurchgeht und zum anderen Pol zurückkehrt. Wenn der Benutzer den Schalter loslässt, ändert sich das Magnetfeld und fließt in die entgegengesetzte Richtung durch den Kern. Dieses sich ändernde Magnetfeld erzeugt einen Strom, der die Energie darstellt, die genutzt werden kann. Wenn der ZF-Generator gedrückt oder losgelassen wird, erzeugt er eine Wechselspannung, und das System kann diese mechanische Energie verwenden, um eine Lampe einzuschalten. Das ultimative Ziel ist es, das Licht ein- und auszuschalten, ohne eine Verkabelung zwischen dem Schalter und der Leuchte.

Das Betreiben von IoT-Geräten ist eine energieintensive Aufgabe. Die Entwicklung neuer Methoden, Geräte ohne Batterien mit Energie zu versorgen, wird die Entwicklung vereinfachen und zu einer saubereren Umwelt beitragen. Beispielsweise reicht die Energie, die erforderlich ist, um eine LED einmal blinken zu lassen, aus, um mehrere RF-Signale zu übertragen. Die Kombination aus stromsparenden Siliziumdesigns und Netzwerken, die für Anwendungen mit niedrigem Energieverbrauch optimiert sind, wird die Grundlage für eine neue Ära des Energiemanagements schaffen, wodurch erhebliche Kosten und Abfälle für Hersteller und Verbraucher reduziert werden.

Hochleistungs-, energieeffiziente Stromversorgungslösungen

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

Die EFR32MG22- und EFR32MG22E-Zigbee-SoC-Lösungen sind Teil der Wireless-Gecko-Serie 2 Plattform. Die MG22-Familie bietet eine optimierte Zigbee-SoC-Lösung, die einen leistungsstarken, energieeffizienten 76,8 MHz ARM® Cortex®-M33-Kern mit TrustZone integriert. MG22 ermöglicht die Entwicklung energieeffizienter Anwendungen, während das MG22E („E“ für Energieeffizienz) die Vorteile zur Energieeinsparung weiter verbessert, indem es die Batterielebensdauer verlängert und vollständig batterielose Designs unterstützt. Das MG22 SoC kombiniert extrem niedrigen Sende- und Empfangsleistungsbedarf (+6 dBm bei 8,2 mA TX, 3,9 mA RX), 1,4 µA Energieverbrauch im Tiefschlafmodus und stromsparende Peripheriegeräte und bietet eine branchenführende energiebewusste Lösung für Zigbee-Protokollanwendungen, einschließlich Green Power.

Das EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) von Silicon Labs ist ein flexibles, hocheffizientes Multi-Output Power Management IC, das eine umfassende Systemversorgung für EFR32- und EFM32-Geräte bietet. Es verfügt über drei Ausgangsspannungsleitungen und die Fähigkeit zur Coulomb-Zählung von Primärzellenbatterien. Das EFP0111 Boost-Bootstrap-PMIC kann in einem Spannungsbereich von 1,7 bis 5,2 Volt betrieben werden, bei einem Ruhestrom von nur 150 nA. Das EFP0111GM20 unterstützt ein breites Spektrum von Batterien mit einer Spannung von 1,5 bis 5,5 Volt und bietet damit Flexibilität für verschiedene Batterietechnologien, während es die Energieeffizienz von EFR32- und EFM32-Geräten verbessert.

Die Si10xx Sub-GHz Wireless-MCUs von Silicon Labs kombinieren hochleistungsfähige drahtlose Konnektivitätstechnologie mit ultra-niedrigem Stromverbrauch für Mikrocontroller-Verarbeitung in einem kompakten 5 x 6 mm Formfaktor. Die Geräte unterstützen Frequenzbänder im Bereich von 142 bis 1050 MHz und verfügen über eine integrierte fortschrittliche Pakethandling-Engine sowie eine Linkbudget-Fähigkeit von bis zu 146 dB. Die Geräte sind optimiert durch die Reduzierung von Stromaufnahme im Sende- (TX), Empfangs- (RX), Aktiv- und Schlafmodus sowie durch Unterstützung schneller Aufwachzeiten, wodurch der Energieverbrauch für batteriebetriebene Anwendungen gesenkt wird. Das Si106x-MCU ist pin-kompatibel mit den Si108x-Geräten, mit einer skalierbaren Flash-Kapazität von 8 bis 64 kB und robusten analogen und digitalen Peripheriegeräten wie ADC, doppelte Komparatoren, Timer und GPIO. Alle Geräte wurden entwickelt, um den 802.15.4g Standard für intelligente Zähler zu erfüllen und unterstützen weltweit regulatorische Standards, einschließlich der FCC-, ETSI- und ARIB-Spezifikationen.

Fazit

Energiegewinnungstechnologie ist heutzutage sehr beliebt geworden und wird voraussichtlich in den kommenden Jahren noch weiter verbreitet sein, da sie viele Vorteile für das Design eingebetteter Systeme bietet. Ein richtig konzipiertes Energiegewinnungssystem kann, sobald es den anfänglichen Power-on-Reset überwunden hat, unbegrenzt betrieben werden. Mit einer sorgfältigen Systemgestaltung kann die Lebensdauer eines Energiegewinnungssystems auf über 20 Jahre verlängert werden. Dünnschichtbatterien werden häufig in Energiegewinnungssystemen eingesetzt, da sie ein ultradünnes Profil und geringe Leckageeigenschaften aufweisen. Die Fähigkeit, selbstversorgende eingebettete Systeme ohne Hauptstromversorgung oder konventionelle austauschbare Batterien zu entwickeln, eröffnet neue Anwendungsfelder und ebnet den Weg für neue Bereiche in der Entwicklung eingebetteter Systeme. Die MG22-Serie Zigbee-SoC-Lösungen, das EFP0111GM20 energiesparende Power-Management-IC und das Si10xx Sub-GHz drahtlose MCU, die von Silicon Labs eingeführt wurden, ermöglichen eine hervorragende Steuerung des Stromverbrauchs von Energiegewinnungssystemen und gewährleisten einen langfristigen Betrieb eingebetteter Systeme ohne den Aufwand eines Batterieaustauschs.