Schwerpunkte

Energy-Harvesting-On-Chip-Subsystem

Ohne Batteriewechsel auskommen im IoT

06. September 2021, 11:02 Uhr   |  Von Stephen Evanczuk, Fachredakteur bei Digi-Key

Ohne Batteriewechsel auskommen im IoT
© AdobeStock

Renesas‘ MCU-Familie RE01 ist für die Entwicklung von Energy-Harvesting-Systemen prädestiniert. Mit den zugehörigen Entwicklungs-Boards und Software kommen Entwickler schnell zu Prototypen und kundenspezifischen Designs.

Entwickler tragbarer Wireless-Geräte für das Internet der Dinge (IoT) sind ständig auf der Suche nach besseren Möglichkeiten, diese Geräte mit Strom zu versorgen, um Ausfallzeiten in privaten, kommerziellen oder industriellen Anwendungen zu minimieren. Primärbatterien müssen ständig überwacht werden, und wenn sie schließlich ersetzt werden, stellen sie ein erhebliches Entsorgungsproblem dar. Wiederaufladbare Batterien lösen das Entsorgungsproblem, aber die Geräte müssen demontiert, aufgeladen und wieder montiert werden.

Durch die Einschränkungen traditioneller Ansätze ist ein verstärktes Interesse an Energy-Harvesting-Techniken geweckt worden, bei denen die Umgebungsenergie zur Stromversorgung eines Geräts genutzt wird. Für Entwickler kann damit das Problem entstehen, dass die Schaltungen, die für die Energiegewinnung und das Aufladen der Batterien benötigt werden, die Komplexität, Größe und Kosten des Designs erheblich erhöhen.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über den Einsatz von Energy Harvesting in IoT-Anwendungen und skizziert einige der Herausforderungen, denen sich Entwickler gegenübersehen. Anschließend wird ein Ansatz vorgestellt, der diese Herausforderungen durch die Integration von Schaltungen für das Energy Harvesting und Batterielademanagement auf einem Mikrocontroller (MCU) überwindet. Anhand von Beispiellösungen und zugehörigen Evaluierungs-Boards von Renesas zeigt der Artikel, wie der Ansatz angewendet werden kann, um die Notwendigkeit eines Batteriewechsels in IoT-Geräten effektiv zu eliminieren.

Warum Energy Harvesting
für das IoT nutzen?

Energy Harvesting ist ein attraktiver Ansatz für IoT-Anwendungen wie etwa drahtlose Sensorsysteme mit geringem Stromverbrauch, wo es den Einsatz von völlig drahtlosen Geräten ermöglicht, die wenig oder gar keine Wartung benötigen. Typischerweise benötigen diese Geräte immer noch eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator, um den Spitzenstrombedarf zu decken.

Im Prinzip kann das System durch die Nutzung der Umgebungsenergie einen kleineren Energiespeicher einsetzen und dessen Lebensdauer verlängern. Im Gegenzug kann das resultierende IoT-Design potenziell in ein kleineres Gehäuse passen, solange die Energy-Harvesting-Funktionalität nur wenig zur Teilezahl des Designs beiträgt. In der Praxis vereitelt jedoch die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten zur Implementierung von Energy Harvesting die Versuche, den Footprint zu reduzieren.

Das Problem ist, dass eine Energy-Harvesting-Stromquelle typischerweise separate Komponenten benötigt, um die Umgebungsenergie zu ernten und ein ordnungsgemäßes Lademanagement für einen Energiespeicher wie eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator sicherzustellen. Zu einem bereits minimalistischen drahtlosen Systemdesign, das aus einer MCU, einem Sensor und einem Hochfrequenz- (HF) Transceiver besteht, kann diese zusätzliche Funktionalität ein einfaches Design mit wenigen Teilen in ein relativ komplexes verwandeln (Bild 1).

Renesas
© Renesas

Bild 1: Der Einsatz von Energy Harvesting in IoT-Geräten kann deren Benutzer von der Wartung der Batterien befreien, aber die zusätzlichen Anforderungen haben in der Regel zu immer größeren Geräten, höherer Designkomplexität und höheren Kosten geführt; all das läuft den Anforderungen eines ungebundenen IoT-Designs zuwider.

Bislang wurden viele der verschiedenen Komponenten, die für Energy Harvesting benötigt werden, in spezialisierte Module und integrierte Schaltungen für das Energiemanagement (PMICs) integriert, z.B. in den LTC3105/LTC3107 von Analog Devices, den S6AE101A von Cy­press Semiconductor, den MCRY12-125Q-42DIT von Matrix Industries und viele andere. Solche Komponenten liefern eine geregelte Spannungsschiene von einer Solarzelle, einem thermoelektrischen Generator (TEG), einem piezoelektrischen Schwingungswandler oder einer anderen Energiequelle. Als solche können sie als komplette Energy-Harvesting-Stromversorgung für ein grundlegendes IoT Hardware Design dienen. Dennoch müssen die Entwickler an die Grenzen gehen, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen und einen Wettbewerbsvorteil zu erreichen.

Renesas‘ MCU-Familie RE01 hilft bei der Erreichung dieser Ziele, da sie den Integrationsansatz weiterführt, indem sie einen Energy Harvesting Controller (EHC) in das Gerät integriert. Tatsächlich kann eine RE01-MCU ihren eingebauten EHC verwenden, um eine Sekundärbatterie aufzuladen, während sie den Rest des Geräts mit Systemstrom versorgt. Der RE01 ist mehr als nur ein Energy-Harvesting-Baustein: Er kombiniert seinen EHC mit einem 64-MHz-Arm-Cortex-M0+-Kern, On-Chip Flash, einem TSIP-Block (Trusted Secure Intellectual Property), einem 14-bit-Analog/Digital-Wandler (ADC), Timern und mehreren Peripherie-Schnittstellen (Bild 2).

Renesas
© Renesas

Bild 2: Die Mikrocontroller-Familie RE01 von Renesas wurde entwickelt, um das Design batteriebetriebener Geräte zu vereinfachen. Sie kombiniert einen kompletten Energy Harvesting Controller mit einem stromsparenden Arm-Cortex-M0+-Prozessorkern, On-Chip-Flash und mehreren Peripheriekomponenten und Schnittstellen.

Seite 1 von 4

1. Ohne Batteriewechsel auskommen im IoT
2. Minimierung der Komponenten für IoT-Designs
3. Integrierter Energy Harvesting Controller vereinfacht das Design
4. Evaluierungskit unterstützt Rapid Prototyping

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Renesas Electronics Europe GmbH, Digi-Key Corporation