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

Buscando alcanzar la operación perpetua en sistemas de captación de energía

La tecnología de recolección de energía está convirtiéndose rápidamente en una opción de alimentación viable para los diseñadores de sistemas embebidos, permitiendo que los sensores inalámbricos se utilicen en aplicaciones donde los diseños tradicionales con baterías eran anteriormente inviables. Por ejemplo, las fuentes de energía de recolección de energía permiten a los diseñadores de sistemas construir fácilmente sensores inalámbricos ultra delgados con un alcance superior a 100 metros y una vida útil que supera los 20 años.

El objetivo principal de los sistemas de recolección de energía es lograr una operación perpetua. Un sistema de recolección de energía puede alcanzar una operación perpetua asegurándose de que la energía recolectada iguale o supere la energía consumida por el sistema durante su funcionamiento. La gestión de energía es un aspecto crítico en el diseño de un sistema de recolección de energía. El primer paso es determinar la salida de potencia 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 salida de potencia del recolector de energía es fundamental para construir un sistema de recolección de energía robusto.

El aspecto más importante al diseñar un sistema de recolección de energía es proporcionar una funcionalidad suficiente mientras se minimiza el consumo de energía del sistema integrado. Al seleccionar componentes con especificaciones de baja fuga y utilizar 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 baterías pueden aplicarse para minimizar el consumo de energía en sistemas de recolección de energía.

Consideremos un ejemplo de un nodo de 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 solar. 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. Mientras 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.

Equilibrando la potencia promedio de las baterías de película delgada en la recolección y el consumo de energía

Existen dos tipos de sistemas de aprovechamiento de energía capaces de lograr una operación perpetua, cada uno con diferentes mecanismos de almacenamiento de energía. El primer tipo requiere largos períodos para recolectar y acumular energía, utilizando contenedores de energía de baja fuga y alta capacidad, como baterías de película delgada. La operación perpetua se logra al equilibrar la energía recolectada promedio con el consumo de energía promedio. Estos sistemas de aprovechamiento de energía son los más flexibles y, por lo general, experimentan breves ráfagas de consumo de alta potencia. Permanecen en un modo de suspensión de bajo consumo la mayor parte del tiempo, siempre alimentados y recolectando energía de manera continua. Un ejemplo de este tipo de sistema es un nodo de sensor inalámbrico alimentado por energía solar.

El segundo tipo de sistema de recolección de energía permanece sin energía hasta que detecta un pulso de energía, recolecta la energía y la almacena en un contenedor de energía de baja impedancia (como un condensador). Después de un breve reinicio de encendido, el sistema utiliza la energía limitada recolectada del pulso para llevar a cabo las funciones necesarias del sistema. La operación perpetua se logra equilibrando la energía total consumida durante la ejecución de tareas 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 lámpara.

Las baterías convencionales, como celdas de botón, baterías de litio AA y baterías de litio-cloruro de tionilo, 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 coste, tamaño y seguridad. A medida que los desarrolladores enfrentan constantemente la presión de reducir los costos del sistema, las celdas de botón económicas pueden parecer la mejor solución para reducir los costos de fabricación y llevar los productos al mercado rápidamente. Sin embargo, reemplazar las celdas de botón implica costos ocultos. Si se considera que la capacidad total de almacenamiento de energía a lo largo de la vida útil de una batería de película delgada supera la de treinta celdas de botón CR2032, rápidamente se concluye que el coste inicial de una batería de película delgada es insignificante en comparación con el coste de reemplazar una celda de botón treinta veces y supera varias veces el ciclo de vida del sistema integrado.

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 tipo "AA" o una sola batería de cloruro de tionilo de litio tipo "C", lo que hace que las baterías de película delgada sean ideales para sistemas integrados con limitaciones de espacio que requieran un perfil ultradelgado y una larga vida útil 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 el riesgo de explosión. Debido a que las baterías de película delgada son recargables, almacenan solo una parte de su capacidad total de por vida en un momento dado, lo que las hace más seguras en caso de un cortocircuito accidental, exposición a calor extremo o contacto con una llama abierta. Las baterías de película delgada también producen significativamente menos residuos que las baterías convencionales más grandes, que a menudo terminan en los vertederos en lugar de ser recicladas.

El diseño de referencia para la 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 baterías. Varias organizaciones detrás de los estándares inalámbricos están dedicadas a ayudar a satisfacer las expectativas de los consumidores para reducir el consumo de energía de los dispositivos en este ámbito. Zigbee Green Power es un excelente ejemplo de cómo considerar la recolección de energía en el diseño de comunicaciones inalámbricas.

Silicon Labs y Arrow Electronics han desarrollado conjuntamente un diseño de referencia de recolección de energía basado en el sistema en chip (SoC) EFR32MG22 de Silicon Labs. Este diseño combina un interruptor de luz Zigbee Green Power con gestión de energía por recolección. El MG22 está diseñado para el protocolo Zigbee, tiene un tamaño compacto y cuenta con funciones avanzadas de seguridad, lo que lo convierte en una opción ideal para dispositivos de extremo de ultra bajo consumo. Silicon Labs también ofrece circuitos integrados de gestión de energía eficientes, como el EFP0111, para proporcionar mejores capacidades de gestión energética. Además, Silicon Labs ofrece 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 principal 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 el interruptor como cuando se suelta. 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 cambio del campo magnético genera una corriente, que es la energía que puede ser recolectada. Cuando el generador ZF se presiona o se suelta, genera un voltaje de corriente alterna (CA), y el sistema puede utilizar esta energía mecánica para encender una luz. El objetivo final es poder encender y apagar la luz sin necesidad de cableado entre el interruptor y el artefacto de iluminación.

Impulsar los dispositivos IoT es una tarea que consume mucha energía. Innovar nuevos métodos para alimentar dispositivos sin baterías simplificará el desarrollo y ayudará a crear un entorno más limpio. Por ejemplo, la energía necesaria para hacer que un LED parpadee una sola vez es suficiente para transmitir múltiples señales de 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 energética, reduciendo costes 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 industrial y de edificios.

Las soluciones SoC Zigbee EFR32MG22 y EFR32MG22E forman 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 a 76.8 MHz con TrustZone. El MG22 permite crear aplicaciones energéticamente eficientes, mientras que el MG22E ("E" de Conservación de Energía) mejora aún más las ventajas de ahorro energético, extendiendo la vida útil de la batería y apoyando diseños completamente libres de baterías. El SoC MG22 combina una potencia de transmisión y recepción ultra baja (+6 dBm a 8.2 mA TX, 3.9 mA RX), una potencia de modo de sueño profundo de 1.4 µA y periféricos de bajo consumo, proporcionando una solución líder en la industria para aplicaciones del protocolo Zigbee, incluyendo Green Power.

El EFP0111GM20 Energy-Friendly Power Management IC (PMIC) de Silicon Labs es un circuito integrado de gestión de energía flexible, altamente eficiente y con múltiples salidas que proporciona energía completa al sistema para dispositivos EFR32 y EFM32, con tres rieles de voltaje de salida y capacidades de conteo de Coulomb para baterías primarias. El PMIC de arranque EFP0111 puede operar dentro de un rango de voltaje de 1.7 a 5.2, con una corriente en reposo tan baja como 150 nA. El EFP0111GM20 es compatible con 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 los dispositivos EFR32 y EFM32.

Los MCUs inalámbricos Sub-GHz Si10xx de Silicon Labs combinan tecnología de conectividad inalámbrica de alto rendimiento con procesamiento de microcontroladores de ultra-bajo consumo en un formato compacto de 5 x 6 mm. Los dispositivos admiten bandas de frecuencia que van desde 142 hasta 1050 MHz, incluyendo un avanzado motor integrado de manejo de paquetes y una capacidad de presupuesto de enlace de hasta 146 dB. Los dispositivos están optimizados mediante la reducción de corrientes en los modos TX, RX, activos y de suspensión, además de tiempos de activación rápidos, lo que disminuye el consumo energético para aplicaciones alimentadas por batería. El MCU Si106x es compatible a nivel de pines con los dispositivos Si108x, con una capacidad de memoria flash que escala de 8 a 64 kB, y periféricos analógicos y digitales robustos, incluyendo ADC, comparadores duales, temporizadores y GPIO. Todos los dispositivos están diseñados para cumplir con el estándar de medición inteligente 802.15.4g y soportar estándares regulatorios globales, incluyendo especificaciones de la FCC, ETSI y ARIB.

Conclusión

La tecnología de recolección de energía se ha vuelto bastante popular y se espera que se extienda aún más en los próximos años debido a los numerosos beneficios que ofrece para el diseño de sistemas integrados. Un sistema de recolección de energía correctamente diseñado, una vez que supera el reinicio inicial de encendido, puede operar indefinidamente. Con un diseño cuidadoso, 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 sus características de baja fuga. La capacidad de diseñar sistemas integrados autosostenibles sin necesidad de una fuente de alimentación principal o baterías convencionales reemplazables abre nuevas posibilidades para aplicaciones y allana el camino hacia nuevas áreas en el desarrollo de sistemas integrados. Las soluciones Zigbee SoC de la serie MG22, el IC de manejo energético eficiente EFP0111GM20 y el MCU inalámbrico Sub-GHz Si10xx presentado por Silicon Labs pueden proporcionar un excelente control del consumo de energía para sistemas de recolección de energía, asegurando una operación a largo plazo de los sistemas integrados sin la molestia de reemplazar las baterías.