Energy Harvesting: Die Entwicklungen gehen weiter

Auf der diesjährigen ISSCC 2026 spielte auch Energy Harvesting eine Rolle. Neben Fortschritten in der Forschung treibt auch die Industrie die Entwicklungen voran.

Zunächst zur Forschung: Zu den Highlights der diesjährigen ISSCC zählt ein Vortrag von der Sun Yat-sen University und der Chinese University of Hong Kong. Die Forscher haben eine bias-flip-basierte Schnittstelle für piezoelektrisches Energy Harvesting (PEH) vorgestellt. Dabei handelt es sich um eine Schaltung zur effizienten Gewinnung elektrischer Energie aus Vibrationen oder mechanischen Bewegungen mithilfe piezoelektrischer Wandler. Die Schaltung nutzt ein digitales Track-and-Lock-MPPT-Verfahren zur Bestimmung des Maximum Power Point (MPP), also des optimalen Arbeitspunktes für die maximale Energieausbeute. Dabei wird der optimale Betriebspunkt einmal ermittelt (»Track«) und anschließend gespeichert sowie gehalten (»Lock«). Dadurch sind keine kontinuierlichen Nachregelungen oder wiederholten Messzyklen erforderlich. Das System kann somit ohne separate Abtastvorgänge arbeiten (sampling-free operation), was den Eigenverbrauch reduziert und die Effizienz steigert. Durch diesen Ansatz erreicht die vorgestellte PEH-Schnittstelle eine maximale MPPT-Effizienz von 99,8 Prozent, das heißt, nahezu die gesamte theoretisch verfügbare Leistung des piezoelektrischen Wandlers kann genutzt werden.

Aber auch in der Industrie gibt es interessante Weiterentwicklungen. So verweist beispielsweise Fortune Business Insights als Marktforschungsunternehmen darauf, dass Asahi Kasei Microdevices 2025 Chips vorgestellt hat, die kleine Energiemengen aus der Umgebung – zum Beispiel aus Licht, Wärme oder anderen Quellen – möglichst effizient nutzen können, um Akkus zu laden und Geräte zuverlässig zu betreiben. Fragt man bei anderen Herstellern nach, zeigen sich auch hier beachtliche Entwicklungen. So erklärt Frederik Dostal, Power Experte von Analog Devices, dass die Ruheströme für PMICs – ein wichtiger Aspekt für Energy-Harvesting-Systeme - heute bereits im niedrigen Nanoampere-Bereich liegen. Er merkt aber auch an: »Für Energy-Harvesting-Systeme ist es aber viel entscheidender, möglichst viele Funktionen in einem einzigen IC zu kombinieren. Durch die Kombination von beispielsweise Schaltregler, Linearregler, etc. sinkt der Eigenstromverbrauch des ICs.«

Bruno Damien, Ecosystem & Partners Marketing Direktor bei e-peas, wiederum verweist mit Blick auf den Ruhestrom auf Bausteine von e-peas (AEM10300/00300/30300), die weniger als 6 nA benötigen. Damien erklärt weiter, dass der Eigenverbrauch besonders kritisch ist, wenn es sich um Systeme mit sehr geringer, aber kontinuierlicher Energiezufuhr handelt. Aber nicht alle Systeme seien so anspruchsvoll. Und hier sollten sich die Entwickler nicht täuschen lassen, denn die menschliche Wahrnehmung von Lichtverhältnissen täuscht oft: Eine scheinbar nur doppelt so helle Umgebung kann tatsächlich zehn- bis zwanzigmal mehr Energie liefern – entsprechend steigt auch die verfügbare Leistung. Damien weiter: »Mit leistungsstärkeren Energy-Harvesting-ICs wie dem AEM15820, der Ströme bis zu 1,2 A verarbeiten kann, verschiebt sich die Bedeutung des Eigenverbrauchs um mehrere Größenordnungen.« Das heißt aber nicht, dass e-peas nicht auf einen effizienten Umgang mit Energie achtet, alle PMICs sind laut Damien auf eine hohe Effizienz ausgelegt. Beim AEM13921 beispielsweise können laut seiner Aussage mehr als 92 Prozent der aufgenommenen Umgebungsenergie an die Anwendung weitergegeben werden. Damien betont, dass es von entscheidender Bedeutung ist, dass die Entwickler darauf achten, dass die Parameter des PMICs genau auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt sind. Damien: »Aus diesem Grund umfasst unser Portfolio rund 20 verschiedene Bausteine.« Außerdem zeige sich, dass Energy Harvesting im IoT-Bereich längst nicht mehr nur im Mikro- oder Milliwattbereich stattfindet. Damien: »Auch Anwendungen mit Leistungen im Bereich von mehreren zehn Milliwatt bis hin zu etwa 3 Watt lassen sich realisieren – etwa Sicherheitskameras, Mobilfunk-Mikrostationen auf Dächern, GPS-Tracker oder Headsets.«

Roberto La Rosa, Senior Principal Engineer bei STMicroelectronics, erklärt, dass moderne Bausteine heute unter realen Bedingungen Ruheströme von etwa 2 µA benötigen, »während in der Literatur und in optimierten Designs bereits Werte im Bereich einiger hundert Nanoampere demonstriert wurden«, so La Rosa weiter. Die tatsächliche Untergrenze wird laut seiner Aussage meist durch Leckströme bestimmt, »wodurch es schwierig und kostspielig ist, deutlich unter etwa 100 nA zu kommen«, so La Rosa.

Startverhalten

Einigkeit besteht darin, dass neben dem Eigenverbrauch das Startverhalten eine zentrale Rolle spielt. Laut Dostal braucht der LTC3108-1 von ADI eine typische Startspannung von lediglich 20 mV, wenn ein Transformator mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:100 verwendet wird. Damien wiederum weist zunächst darauf hin, dass die Startspannung nur in einem einzigen Moment wirklich kritisch: beim allerersten Einschalten des Systems. Dennoch sollte ein sogenannter Kaltstart natürlich schon bei niedrigen Spannungen möglich sein. »Unsere PMICs – etwa der AEM10920 – schaffen das typischerweise ab etwa 275 mV und einer Leistung von 1,7 µW – das entspricht ungefähr der Energie, die eine Solarzelle bei Kerzenlicht liefert.« Damien ist überzeugt, dass noch niedrigere Spannungen nicht notwendig sind, weil elektronische Systeme insgesamt deutlich mehr Energie benötigen, um zuverlässig zu arbeiten.

Aus der Sicht von La Rosa sollte das Startverhalten eher aus der Systemperspektive betrachtet werden. Klar, die minimale Startspannung sollte möglichst niedrig sein, aber: »Idealerweise liefert der Energy-Harvester jedoch eine ausreichend hohe Leerlaufspannung, sodass auf teure Aufwärtswandler verzichtet werden kann, die zudem auch noch zusätzliche externe Bauteile erfordern und die Stücklistenkosten erhöhen.« Um die Stückzahlkosten also möglichst gering zu halten, versucht STMicroelectronics laut seiner Aussage Energy-Harvester, wo immer möglich, mit einer Leerlaufspannung von mindestens 3,0 V einzusetzen. La Rosa weiter: »Das System muss einen Mikrocontroller versorgen, dessen Reset-Schwelle bei 1,74 V liegt. Nach dem Start des Systems wird ein erneutes Zurücksetzen des Mikrocontrollers vermieden, um den Betrieb stabil zu halten.« Um dies zu erreichen, wird der Speicherkondensator so dimensioniert, dass er im Spannungsbereich zwischen VL = 1,8 V und VH = 3,0 V ausreichend Energie bereitstellt. Je größer dieses Spannungsfenster ist, desto kleiner kann der benötigte Speicherkondensator ausfallen, was sowohl Baugröße als auch Kosten reduziert. La Rosa weiter: »In der Praxis ist daher häufig die Reset-Schwelle des Mikrocontrollers der begrenzende Faktor. Wird diese unter 1,74 V abgesenkt, ergibt sich ein klarer Vorteil für das System: Das Kaltstartverhalten verbessert sich und der erforderliche Speicherbedarf sinkt.«

Die Energie ist aber leider nicht immer stabil

Geräte mit klassischer Stromversorgung erhalten typischerweise eine weitgehend stabile Energieversorgung. Beim Energy Harvesting ist das grundlegend anders, da die verfügbare Energie typischerweise stark schwankt oder zeitweise ganz ausbleibt. Welche Ansätze werden verfolgt, um mit diesen Schwankungen umzugehen? Dostal: »Mit unseren integrierten Schaltungen lassen sich viele verschiedene Energy-Harvesting-Systeme realisieren. Wird ein ausreichend großes Energiespeicherelement eingesetzt, können auch starke Schwankungen abgefangen werden.«

Damien nutzt Photovoltaik als gutes Beispiel für ein Energy-Harvesting-System, das mit einer besonders dynamischen und schwankenden Energiequelle ausgestattet ist. Damien: »Unsere PMICs sind in der Lage, sich an wechselnde Bedingungen an den Eingängen der Energiequelle anzupassen – typischerweise in einem Zeitraum von etwa einer Sekunde, je nach Anwendung auch schneller oder langsamer.« Das ist entscheidend, da sich die verfügbare Energie bei Energy Harvesting aus dem Produkt von Leistung und Zeit ergibt. Die Leistung ist die primäre Ausgangsgröße des Harvesters – laut Damien liefert beispielsweise eine PV-Zelle im Innenbereich etwa 10 µW bei 50 Lux, rund 1 mW bei 1000 Lux und mehrere W bei direkter Sonneneinstrahlung. »Die Dauer beschreibt, wie lange diese Leistung verfügbar ist. Betrachtet man beispielsweise eine einstündige Nutzung unter künstlichem Licht, können sich die Lichtverhältnisse innerhalb von weniger als einer Sekunde ändern«, so Damien. Daher sei es ausreichend, wenn sich das System ebenfalls innerhalb von weniger als einer Sekunde anpassen kann. Damien weiter: »Ähnliches gilt für natürliches Licht: Eine kurzzeitige Abschattung durch eine Wolke kann nur wenige Sekunden dauern, während die Gesamtbeleuchtung über Minuten hinweg stabil bleibt. Auch hier ist eine Reaktionszeit von etwa einer halben Sekunde in der Regel ausreichend.« Falls erforderlich, sind jedoch auch schnellere Reaktionen möglich: Der AEM13921 kann beispielsweise in nur 116 ms reagieren oder – je nach Konfiguration – auch langsamer in bis zu 15 Sekunden. Damien: »Wir können auch sehr schnelle, kurzzeitige und zufällige Energieereignisse – etwa das Drücken eines Schalters – erfassen. Für solche Anwendungen stehen spezielle PMICs wie der AEM00300 zur Verfügung; für diese Technologie ist zudem ein Patent angemeldet.«

STMicroelectronics geht einen etwas anderen Weg. So erklärt La Rosa, dass die unternehmenseigenen Ansätze sehr empfindlich auf Schwankungen der vom Energiewandler bereitgestellten Leistung reagieren und genau dieses Verhalten gezielt nutzen. La Rosa: »Änderungen der gewonnenen Leistung führen zu Veränderungen der Ladecharakteristik des Speicherkondensators. Dadurch kann der Energiewandler nicht nur als Energiequelle dienen, sondern in bestimmten Fällen auch als indirekter Sensor.« So kann beispielsweise in einem solarbetriebenen Knoten die Photovoltaikzelle nicht nur Energie liefern, sondern gleichzeitig Informationen über die Beleuchtungsstärke liefern  – ohne dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist. Dasselbe Prinzip lasse sich auch auf andere Energiewandler anwenden, etwa auf vibrationsbasierte Systeme, um Veränderungen von Beschleunigung oder Umgebungsaktivität abzuleiten.

Dieser Ansatz, Funktionen zu kombinieren und das System zu vereinfachen, spiegelt sich auch in der Auslegung des Energiemanagements wider. Im Hinblick auf das »Maximum Power Point Tracking« (MPPT) hängt die Wahl aus der Sicht von La Rose stark von der jeweiligen Anwendung ab. In vielen Sensoranwendungen – insbesondere bei großflächigen oder schwer zugänglichen Installationen – lasse sich durch eine sorgfältige Systemauslegung erreichen, dass die Kosten eines solchen Knotens mit denen eines batteriebetriebenen drahtlosen Sensornetzwerks vergleichbar sind. Wenn das verfügbare Energiebudget sehr knapp sei, kann eine einfachere Architektur ohne MPPT auf Systemebene effizienter sein. La Rosa weiter. »In unseren aktuellen Lösungen verfolgen wir typischerweise diesen Ansatz und legen stattdessen großen Wert auf eine sorgfältige Abstimmung zwischen Energiewandler, Speicherelement und Last.« In der Praxis sorgen eine geeignete Dimensionierung des Energiespeichers, ein angepasstes Lastmanagement sowie eine ganzheitliche Systemauslegung dafür, dass die Ausgangsspannung stabil bleibt und Start-Stopp-Zyklen vermieden werden.

Mehrere Energiequellen

Kann das System mehrere Energiequellen »schröpfen«, hat das natürlich Vorteile. Dostal erklärt dazu, dass es natürlich immer möglich ist, mehrere Bausteine zu kombinieren, aber dass Analog Devices auch ICs anbietet, die mehrere Quellen direkt nutzen können. In diesem Zusammenhang verweist er auf den LTC3109, ein hochintegrierter DC/DC-Wandler, der einen Betrieb bereits bei Eingangsspannungen ab 30 mV ermöglicht, vollkommen unabhängig von der Polarität, was beispielsweise bei TEGs (thermoelektrische Generatoren) wichtig ist, weil sie ihre Polarität ändern können.

Auch e-peas bietet PMICs an, die mehrere Energiequellen unterstützen. Damien weist auf den AEM13921 als Beispiel für einen PMIC für zwei Energiequellen hin, der sich laut Unternehmensangabe durch ein intelligentes Energiemanagement und sehr geringen Energiebedarf auszeichnet. Damien weiter: » Beide Energiequellen werden vollständig unabhängig voneinander geregelt, sodass sie sich jeweils eigenständig an die jeweiligen Umgebungsbedingungen anpassen können. Zu diesem Zweck kommen zwei optimierte Wandler zum Einsatz, die sich vollständig über GPIOs oder I²C konfigurieren lassen. Dadurch ist es nicht erforderlich, eine Quelle gegenüber der anderen zu bevorzugen oder Kompromisse einzugehen. Das ist wichtig, da die verfügbare Energie häufig nur intermittierend und zufällig auftritt.«

In Hinblick auf unterschiedliche Energiequellen erklärt La Rosa, dass STMicroelectronics seine PMIC-Architektur so auslegt, dass sie mit verschiedenen Energiequellen (Source-Agnostic) umgehen kann, vorausgesetzt dass auf Systemebene die festgelegten elektrischen Rahmenbedingungen erfüllt werden. La Rosa: »Die Architektur ist daher nicht an eine bestimmte Energiequelle wie Licht, Wärme oder Vibration gebunden. Solange die Quelle die erforderlichen Spannungs-, Leistungs- und Impedanzanforderungen erfüllt, kann sie integriert und über eine verlustarme Entkopplung parallel zu anderen Quellen betrieben werden.« Auf die Frage, was die größten technischen Herausforderungen bei der Kombination von mehr als zwei Energiequellen in einem einzigen System sind, erklärt La Rosa: »Die zentrale Herausforderung liegt im Wesentlichen in der Auswahl geeigneter Entkopplungsdioden. Werden Dioden mit geringem Leckstrom und niedrigen Verlusten richtig ausgewählt, lässt sich die Kombination mehrerer Energiequellen im selben System vergleichsweise einfach realisieren.«

Integration: ja oder nein?

Beim Thema Integration verfolgen die Hersteller unterschiedliche Strategien. Analog Devices sieht in einer höheren Integration laut Dostal zunächst klare Vorteile, weil mehrere Funktionen in einem einzigen Chip den Eigenstromverbrauch senken – ein entscheidender Punkt bei Energy-Harvesting-Systemen mit sehr knappen Energiebudgets. Gleichzeitig weist Dostal aber auch darauf hin, dass viele Anwendungen sehr spezifische Anforderungen haben. Deshalb sei in der Praxis oft ein modularer Aufbau mit mehreren spezialisierten Bausteinen die bessere Lösung.

STMicroelectronics blickt stärker in Richtung hochintegrierter Systeme. Dort gilt eine Architektur als besonders vielversprechend, bei der Power Management, Mikrocontroller und Funk möglichst in einem einzigen SoC zusammengeführt werden. La Rosa: »Das reduziert die Stückliste, den Platzbedarf und den Entwicklungsaufwand.« La Rosa weiter: »Sensoren sollten nicht integriert werden, denn sie fallen je nach Anwendung sehr unterschiedlich aus.«

e-peas wiederum vertritt eine gegenteilige Position. Damien hält wenig von einer vollständigen All-in-one-Integration, weil Energy-Harvesting-PMICs, digitale Steuerung und Funktechnik sehr unterschiedliche Halbleitertechnologien benötigen. Eine Komplettintegration würde aus dieser Sicht zu technischen Kompromissen und höheren Kosten führen. Stattdessen plädiert Damien für spezialisierte Bausteine, die optimal zusammenarbeiten.

Das Zusammenspiel im System ist entscheidend

In einem Punkt sind sich die Hersteller einig: Das Systemdesign ist entscheidender als einzelne Komponenten. Die Gesamtleistung eines Energy-Harvesting-Systems ergibt sich aus dem Zusammenspiel aller Elemente – Energiewandler, PMIC, Speicher, Recheneinheit und Kommunikation. Selbst hochwertige Einzelkomponenten können in einem schlecht abgestimmten System ineffizient arbeiten, während einfache Komponenten in einer optimalen Architektur gute Ergebnisse liefern.

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