Energy Harvesting Aus mehreren Quellen versorgt

Energie aus der Umgebung zu ernten, ist für Wearables und IoT-Knoten sehr attraktiv. Doch die verfügbare Leistung solcher Harvesting-Quellen reicht oft nicht. Mit einem neuen Ansatz lassen sich mehrere Lasten aus mehreren Quellen versorgen, wobei nur eine einzige Induktivität zum Einsatz kommt.

Wearables oder IoT-Knoten benötigen meist nur um die 1 µW, da sie die meiste Zeit schlafen. Während der Funkübertragung sind es aber bis zu einigen zehn Milliwatt – wesentlich mehr, als die meisten Harvesting-Quellen liefern können. Frühere Arbeiten haben bereits vorgeschlagen, mehrere Energy-Harvesting-Quellen zu nutzen, um die entnehmbare Leistung zu erhöhen, einen Akku als Puffer einzubauen und den Strom mit nur einer Spule zu wandeln, um das Volumen des Moduls zu minimieren [1,2]. Ein derartiges Verfahren kann jedoch nicht mehrere unabhängig voneinander geregelte Power-Domänen bereitstellen, wie moderne SoCs (System on Chip) sie benötigen. Während Simo-Wandler (Single-Inductor Multi-Output) mehrere solcher Domänen vorweisen können [3,4], wurden sie nicht mit Multi-Input-Harvesting kombiniert, da konventionelle Verfahren mit einer einzigen Induktivität mehrere Eingangsquellen und mehrere Lasten nicht gleichzeitig regeln können.

Diese Arbeit [5] stellt einen MISIMO-Energy-Harvester (Multi-Input Single-Inductor Multi-Output) vor, der die Anforderungen der nächsten Generation von netzunabhängigen IoT-Systemen abdeckt, indem er:

  • Energie aus mehreren Quellen erntet und diese je nach momentanen Lastbedingungen entweder direkt an mehrere Power-Domänen oder an den Akku liefert,
  • eine einstufige Topologie mit nur einer Induktivität nutzt, um Verluste durch kaskadierte Stufen zu vermeiden und den Platzbedarf für die Implementierung zu minimieren,
  • unabhängig voneinander die verschiedenen Domänen innerhalb eines einzigen Schaltzyklus regelt, um die Schaltverluste um den Faktor 3 zu reduzieren,
  • die Entladezeit des Akkus kalibriert, um die Zeit, die für die Spule beim Energy-Harvesting zur Verfügung steht, zu verzehnfachen,
  • überschüssige Energie aus der Induktivität in den Akku zurückspeist, um die Eingangsquelle und die Lastregelung voneinander zu entkoppeln, sodass gleichzeitig ein MPPT (Maximum Power Point Tracking) über alle Quellen und eine unabhängige Regelung aller Verbraucher mit nur einer Drossel möglich ist,
  • durch eine hysteresebasierte ereignisgesteuerte Schaltung sowohl die Einschaltdauer der Spule als auch die Schaltfrequenz dynamisch anpasst, und
  • die Größe der Leistungsschalter mit den Lastbedingungen variiert, um den Wirkungsgrad bei geringer Last um bis zu 24 % zu verbessern, wobei kaskadierte Schalterstrukturen die Verlustleistung um das Neunfache reduzieren.