IoTソリューションが成長を続けるにつれ、自然エネルギーで動作する低エネルギー デバイスの需要も高まります。ここで疑問が生じます。エネルギー変換器は、エネルギーを収穫する際にどのような課題に直面するのでしょうか?デバイスにはどのようなエネルギーオプションがありますか?エンジニアが利用できる半導体ソリューションにはどのようなものがありますか?
エネルギーハーベスティングとは何ですか?
エネルギーハーベスティングは、その名前が示すように、デバイスに電力を供給するためにエネルギーを収集する行為です。バッテリーや主電源で動作するデバイスとは異なり、エネルギーハーベスターは周囲の環境からエネルギーを抽出できるため、電源接続が不要になります。エネルギーハーベスティングソリューションは一般的になりつつありますが、 エネルギーハーベスティング回路 というアイデアは何十年も前から存在しています。
一例としては、周囲の光の下でも動作できる小型太陽電池を組み込んだ計算機が挙げられます。このような計算機は1990年代から存在しており、基本的な計算機チップの低消費電力とバックライトのないLCDディスプレイのおかげで実現可能になりました。
より多くの電力を必要とするデバイスの場合、エネルギー ハーベスターは、多くの場合、時間の経過とともに小さなコンデンサまたはバッテリーをトリクル充電し、特定の充電または電圧に達すると、エネルギーをすぐに放出します。これにより、デバイスは短時間しか動作できなくなりますが、外部電源から完全に独立して動作できるようになります (つまり、最も遠隔地でも動作できます)。
エネルギーハーベスターが使用するエネルギー源は限られていることが多いため、エネルギーハーベスティングを使用するデバイスは歴史的に非常に基本的な機能に限定されてきました。しかし、低電力のSoC (システムオンチップ) と高度な電力管理IC (集積回路) の導入により、エネルギーハーベスターが実用的な電源として電子機器の世界に進出し始めています。では、エネルギーハーベスターはどのような課題に直面しているのでしょうか?どのような電源がありますか?エンジニアにとって現在どのようなソリューションが存在するのでしょうか?
エネルギーはどこから来るのか？
エネルギーハーベスターに関しては、環境中に自然に発生するほぼすべてのエネルギー源が電力を供給する可能性があります。これらのエネルギー源には、光、風、機械的動作、温度、音、ラジオなどがあります。
光は広く豊富に存在するため、より一般的なエネルギー源の1つですが、太陽光と混同しないようにする必要があります。ソーラーパネルと太陽電池は、太陽光にさらされると電気を生成するために使用されます (エネルギー ハーベスターも同様)。ただし、エネルギー ハーベスターとは異なり、日陰になると実質的に機能しなくなります。しかし、光エネルギーハーベスターは低照度でも動作することができ、電卓や小型デバイスによく使用されています。これにより、光ベースのエネルギーハーベスターは夜間でも人工光（街灯や建物の標識など）の下で動作できるようになります。さらに、エネルギーハーベスターに使用される太陽電池は小型であるため、設計に簡単に統合でき、可動部品がないため、遠隔地で使用する場合の信頼性が向上します。
風は、利用できる自然エネルギー源のもう一つの例です。ソーラーパネルと同様に、大量のエネルギーを生成するために使用される風力タービンと、単一のデバイスで使用するために小型化された風力タービンとの間には明確な違いがあります。風力を利用したエネルギー収集装置は、空気の対流、建物内の空気の流れ、空気中の装置の動きによって生じる微風でも動作するように構成されます。しかし、小型の風力発電装置でもかなりの大きさになるため、めったに使用されません (風力エネルギーが必要な場合は、タービンが使用される可能性があります)。
機械的動作は、圧縮、張力、曲げ、加速などの例とともに、小型デバイスのエネルギー源としても使用できます。通常、 圧電 素子は、機械的な力を電気に変換するために使用されます (ドアベルや舗装など)。ウェアラブルデバイスは、コイルを囲むバネで吊り下げられた磁石を介して、腕の動きからエネルギーを生成することができます。このようなエネルギー源は、デバイスが頻繁に機械的な力を受けることが予想される場合には理想的ですが、可動部品を使用すると時間の経過とともに摩耗が生じる可能性があり、また、機械エネルギーが不安定な場合は、信頼性の高いエネルギー源として使用することが困難になる可能性があります。
エネルギーハーベスターは、熱勾配（つまり、高温側と低温側の両方）が存在する限り、熱エネルギーを抽出することもできます。これは通常、熱勾配にさらされると電圧を生成する熱電対を使用して利用されます。温度勾配が一定であれば、非常に信頼性の高いエネルギー源となりますが、熱電対の効率が低いため、実装するのは現実的ではありません。熱電対は固体であるため可動部品がなく、長期間の使用でも信頼性があります。ただし、専用のTEG (熱電発電機) を使用すると、熱勾配から得られるエネルギーを増強できます。
人間の活動による電波放射も、エネルギー収穫装置にとって実行可能なエネルギーの選択肢となります。Wi-Fiルーター、携帯電話ネットワーク、ラジオ局からの電波はすべて収集され、デバイスに電力を供給することができます。実際、ラジオ局の近くにある鉱石ラジオは、追加の電源を必要とせずに動作できます。しかし、ほとんどの無線エネルギー源は非常に小さいため、エネルギーハーベスターの動作が困難になる可能性があります。
電力コンバータが直面する課題は何ですか?
私たちの周囲の環境にはエネルギーが自然に存在しますが、そのエネルギーを活用することは大きな課題となります。エネルギー収穫者が克服しなければならない最初の大きなハードルは、自然に発生するエネルギー源が極めて小さいという事実から生じます。太陽電池はかなりの電圧を生成できますが、機械、振動、無線、音によって生成されるエネルギーはナノワット単位になることがあります。電圧と電流はどちらも電力に比例することを考慮すると、生成される電力はごくわずかな電圧または電流のいずれかを生成します。
こうして、エネルギーハーベスターが直面する最初の大きなハードルであるエネルギー抽出に到達します。生成される電圧が低すぎるエネルギーハーベスティング回路は、順方向電圧バイアスが必要なため、半導体コンポーネントをアクティブにすることができません (たとえば、シリコンダイオードは、0.6Vの順方向電圧降下が観測されるまで導通しません)。
電圧を上げるには、エネルギー ハーベスターの特性を変更します (たとえば、インダクタにループを追加するか、エネルギー ハーベスターの入力インピーダンスを上げる)。ただし、これにより電流が減少します。電流が減少すると、コンデンサまたはバッテリーの充電に長い時間が必要になり、動作充電比率が低下します。
エネルギーハーベスターがこの課題を克服できれば、2番目の課題はそのエネルギーを確実に保存することです。コンデンサは小型で、電荷を蓄えることができ、大電流の需要に素早く反応することができます。ただし、使用される技術によっては漏れが生じる可能性があります。さらに、充電回路には、理想的でないコンポーネントによって生じる、ある程度の固有の漏れも存在します。したがって、エネルギーハーベスターは、自然漏れによる放電速度よりも速く充電できることを保証する必要があります。
エネルギーハーベスターが直面する3番目の課題は、デバイスに電力を供給するために使用できる十分なエネルギーが蓄積されたかどうかを判断することです。これを行う最も簡単な方法の1つは、既知のサイズのコンデンサを使用し、電圧が特定のレベル (これは蓄積されたエネルギーに直接対応します) に達するまで待ってから、電力コンバータに供給することです。ただし、電圧を測定するという行為自体にエネルギーが必要であり (電圧検出回路がアクティブ コンポーネントに基づいていると仮定)、これがシステムの充電速度を妨げます。
適切な量のエネルギーが蓄えられたら、最後の課題は、適切な電圧でエネルギーを効率的にデバイスに放出することです。リニア レギュレータはノイズのない電源電圧を提供するのに非常に優れていますが、非常に無駄が多いため、エネルギー ハーベスタではスイッチング レギュレータが使用されます。ただし、これらは回路にノイズを導入する可能性があるため、設計段階では細心の注意を払う必要があります。
要約すると、エネルギー源はサイズが非常に小さいことが多いため、エネルギー源とハーベスター間のインピーダンスを適切なサイズにする必要があります。また、電流漏れがあるため、コンポーネントの選択を慎重に行う必要があります。エネルギー ハーベスターに関連する電圧が低いため、順方向電圧降下の低いアクティブ コンポーネントを選択する必要があります。さらに、電力コンバーターは可能な限り効率的である必要があります。
一部のデバイスにはどのようなオプションがありますか?
現在蓄えられているエネルギーを監視するアクティブコンポーネントを駆動するための電力を必要とするという課題は、小型コイン型電池を使用することで解決できます。これらの容量は非常に限られていますが、モニターのコンポーネントを非常に長期間 (場合によっては数年間) 稼働させるのに十分な容量です。
このようなバッテリーの唯一の目的は、電力モニター回路が動作できるようにするバイアス電圧を維持することです。MOSテクノロジを使用すると、設計全体で消費される電流はごくわずかになるため、コイン型電池は実行可能なオプションになります。しかし、バッテリーを使用するとエネルギー収集の目的が達成されず、バッテリーが最終的に切れるという事実はリモート アプリにとって良い兆候とは言えません。
エネルギー貯蔵に関しては、コンデンサは抵抗が低く、充放電能力が速く、統合が容易なため理想的です。ただし、スーパーコンデンサは、より低い電圧でより大きなストレージ機能を実現し、低電圧で動作するため、低電圧エネルギー源での使用にも最適です。
ほとんどのエネルギー源は非常に小さいため、エンジニアにとって複数のエネルギー源を1つのデバイスに統合することも有利です。たとえば、小型の太陽電池を熱電対と圧電発電機と組み合わせることで、光、音、熱から同時にエネルギーを集めることができます。このような配置により、充電速度が向上しながら、デバイスにさらに多くのエネルギー オプションが提供されます。実際、一部のエネルギーハーベスティングICには、複数のエネルギー源に接続するための専用入力が備わっています。
MAX17710は、エネルギーハーベスティングを念頭に設計されたICの一例です。このICには、異なるエネルギー源 (1つの高電圧源と1つの低電圧源) 用の2つの入力電源オプション、昇圧レギュレータ、およびマイクロコントローラに接続するための内部ステート マシンが統合されています。さらに、MAX17710は、フラットなソリッドステート バッテリーであるTHINERGY MEC101バッテリーでも動作するように設計されています。これらのバッテリーは薄さと固体の性質を兼ね備えているため、コンパクトで本質的に安全であり、薄型のリモート デバイスでの使用に最適です。
STMicroelectronics SPV1040は、MPPT (最大電力点トラッカー) を使用して効率的にエネルギーを収集するように特別に設計されたソーラー バッテリー チャージャーの例です。本質的に、MPPTは太陽電池の負荷ポイントを最適な状態に設定して最大の電力伝送を可能にするもので、SPV1040はこれを利用して最大95% の効率を実現します。さらに、SPV1040は0.3V (つまり、非常に小さい電圧) まで動作できます。
e-peas AEM30940は、入力電力3 µWで380 mVの入力電圧から自己起動できる専用のエネルギー ハーベスティングICです。このICは、漂遊RFからエネルギーを抽出し、無線入力とエネルギー コンバータからの電力転送を最大化するためのMPPTを統合しており、バッテリー、コンデンサ、スーパー コンデンサを含むすべてのストレージ オプションで動作でき、フェイルセーフ動作のために一次バッテリーに接続できます。さらに、AEM30940には複数のLDOレギュレータが統合されており、多くの最新マイクロコントローラ (1.8Vコアと3.3V I/Oなど) に必要なさまざまな出力電圧を生成します。
結論
周囲の環境からエネルギーを抽出しようとする場合、エネルギーハーベスターは、エネルギーの可用性、充電状態を感知するためのアクティブコンポーネントの必要性、コンポーネントからの電流漏れ、電力コンバータに必要な高効率など、さまざまな課題に直面します。半導体材料の根本的な限界により、超低電圧での動作は不可能であり、自然に発生するエネルギー源の非一貫性により、信頼性の高い動作は事実上不可能です。
しかし、エネルギーハーベスティングは大きく進歩しており、エンジニアにはe-peas AEM30940やMAX17710などの選択肢が存在します。しかし、使用されているテクノロジーに関係なく、エンジニアができる最善の策は、エネルギー要件が非常に小さいマイクロコントローラーと、ディープ スリープ モードを備えたマイクロコントローラーを選択することです。結局のところ、そもそも設計に必要なエネルギーが少ない場合は、大量のエネルギーを蓄えることについて心配する必要はありません。