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Low-Power-ICs für Energy Harvesting Energie aus der Umgebung ernten

30.08.2018

In naher Zukunft werden Milliarden von IoT-Geräten vernetzt sein. Ein großer Teil dieser Geräte wird sich an schwer zugänglichen Stellen befinden. Batterien als alleinige Stromquelle kommen dafür nicht in Frage, da sie regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Energy-Harvesting-Systeme ergänzen diese oder können sie sogar vollständig ersetzen.

Das Energy Harvesting ist ein Prozess, bei dem kleine Mengen von in der unmittelbaren Umgebung verfügbarer Energie in elektrischen Strom umgewandelt werden. Diese Energie kann anschließend direkt genutzt oder in einem Akku beziehungsweise einem Superkondensator gespeichert werden, bis sie benötigt wird. In jüngster Zeit hat die Mikroelektronik-Branche mehrere Hürden genommen, die der Entwicklung von Geräten mit sehr geringem Stromverbrauch im Weg standen, und bietet nun eine neue Generation von MCUs, Sensoren und Leistungsbauelementen, die Energy Harvesting zu einer Zukunftstechnik machen. Die Analysten von Semico Research schätzen, dass der Verkauf von Halbleitern für Energy-Harvesting-Systeme bis 2020 auf mehr als drei Milliarden Dollar anwachsen wird.

Die wichtigsten Aspekte beim Energy Harvesting

Energie kann aus vielen verschiedenen Quellen gewonnen werden, wie beispielsweise Funkwellen, Schwingungen, Wärme oder Licht. Anschließend wird sie durch Wandler, wie Photovoltaikzellen für Lichtquellen oder thermoelektrische Generatoren bei Temperaturgradienten, in elektrischen Strom umgewandelt. Ein solches Energy-Harvesting-System besteht in der Regel aus den folgenden Subsystemen:

  • Gleichrichter und Konditionierungsschaltkreise für die Wandler, um die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom zu optimieren

  • MCUs mit sehr geringem Stromverbrauch

  • drahtlose Sub-GHz-Verbindungen

  • Leistungsmanagement- und Schutzschaltungen

Für das Energy Harvesting im IoT-Kontext sind zahlreiche verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Die Auswahl eines geeigneten Mehrquellen-Wandlers sowie effiziente Energieverwaltung und -speicherung sind wichtige Punkte für die Maximierung der Systemeffizienz. Das größte Problem ist, dass nicht genau vorhergesagt werden kann, wie viel Elektrizität produziert wird. Deshalb werden Energiespeicherelemente wie Superkondensatoren verwendet, um die Energie zur späteren Verwendung vorzuhalten. Diese haben den Vorteil einer sehr hohen Kapazität und können elektrische Ladungen mit höherer Ladegeschwindigkeit akkumulieren als normale wiederaufladbare Batterien. Außerdem muss das Leistungsmanagement in den Knoten des drahtlosen Sensornetzwerks und die Arbeitsmodi der Knoten so angepasst werden, dass das System auch dann verfügbar ist, wenn über eine lange Zeit Energie verloren geht.

Die größte Herausforderung für Systeme zur Energieabschöpfung und -verwaltung ist eine konstante Spannungsversorgung bei maximaler Effizienz. Die Entwickler müssen die Arbeitszeiten der MCUs während der Datenerfassung und der -übertragung optimieren. Im Laufe der Jahre wurden die Energiesparmodi durch schnelle Algorithmen verbessert, wodurch nun eine schnellere Rückkehr in den Schlafmodus und somit eine Minimierung des Stromverbrauchs möglich ist. Außerdem ist es wichtig, den Stromverbrauch außerhalb der unmittelbaren Nutzung zu minimieren. Der Ruhestromverbrauch ist ein Schlüsselaspekt in Überwachungsschaltungen und sollte so gering wie möglich sein, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

Energy Harvesting ersetzt Akkus

Aber diese Verlängerung der Batterielebensdauer von IoT-Geräten ist nur ein kleiner Aspekt von Energy-Harvesting-Technologien. Sie können auch als alternative Energiequelle in industriellen und medizinischen Fernüberwachungssystemen verwendet werden. Häufig wird ein gemischter Ansatz verfolgt, der einen Superkondensator mit einem Li-Ion-Akku kombiniert, um die Gerätekapazität in Zeiträumen maximaler Last zu steigern. Ein Energy-Harvesting-System muss einen unterbrechungsfreien Energiefluss garantieren. DC/DC-Wandler liefern eine stabile Spannung und gleichmäßigen Strom. Die Schaltmodi bieten eine hohe Effizienz und Ausgangsleistung. Energy-Harvesting-ICs sollten die folgenden allgemeinen Leistungsmerkmale aufweisen:

  • einen geringen Ruhestrom von in der Regel nur wenige μA

  • eine geringe Startspannung im mV-Bereich

  • die Fähigkeit, Energie aus Gleichstrom- und aus Wechselstromquellen abzuschöpfen

  • eine hohe Integrationsfähigkeit mit nur wenigen externen Komponenten

Die neueste Errungenschaft in der Mikroelektronik sind integrierte Schaltkreise für Energy Harvesting mit Verbrauchswerten im nW-Bereich.

PMICs: Geringer Energieverbrauch ist entscheidend

Power-Management-ICs (PMICs) spielen in Energy-Harvesting-Systemen eine wichtige Rolle bei der Extraktion der Energie aus dem Wandler, ihrer Speicherung als Strom mithilfe des DC/DC-Wandlers und der Verwaltung der Stromabgabe aus dem Speicherelement zu den Lasten. Je nach Art des Wandlers unterstützt der PMIC eine Buck-, eine Boost- oder eine Buck/Boost-DC/DC-Wandlung. Der Betrieb mit sehr geringem Stromverbrauch ist unabdingbar, um zu verhindern, dass die gesamte akkumulierte Energie vom IC selbst absorbiert wird. Die Entwickler müssen genaue Analysen und Modelltests durchführen, um die gewonnene Energie mit dem Strombedarf der Schaltung auszubalancieren. Je nach den geltenden Bedingungen der Energiequelle und den Hardware- und Software-Steuerungsoptionen kann für bestimmte Anwendungen entweder eine IC-Lösung oder eine MCU mit sehr geringem Stromverbrauch am besten geeignet sein.

Der MB39C831 PMIC von Cypress Semiconductor ist ein hocheffizienter Boost-DC/DC-Wandler mit synchroner Gleichrichtung und einem Ruhestrom von 41 μA. Er wurde mit einem Eingangsspannungsbereich zwischen 0,3 und 4,75 V entwickelt und liefert effizient Energie aus verschiedenen Quellen wie Solarzellen und TEGs. In der Regel variiert die Spannung einer Solarzelle entsprechend dem Laststrom. Daher wird das Verfahren des Maximum Power Point Tracking (MPPT) angewendet, um die Energieabschöpfung unter allen Bedingungen zu maximieren. Der MB39C831 verfügt über eine integrierte MPPT-Funktion zur Steuerung des DC/DC-Wandlers und über Schutzfunktionen zum sicheren Laden des Li-Ion-Akkus.

STMicroelectronics bietet eine breite Palette von Energy-Harvesting-Lösungen. Seine ICsSPV1050 und SPV1040 werden zur Stromversorgung von Wireless-Sensorknoten verwendet und erreichen dank ihrer integrierten MPPT-Funktion Effizienzwerte von fast 99 Prozent. Sie unterstützen die von manchen Außenbeleuchtungen verlangten Sicherungsmechanismen gegen Überspannung und Übertemperatur.

Der Nano-Energiemanagement-IC BQ25570 von Texas Instruments ist eine Kombination aus einem Schnellladegerät und einem Buck-Wandler und wurde speziell für das Energy-Harvesting im µW-Bereich entwickelt. Er bietet ebenfalls eine integrierte MPPT-Funktion und optimale Energieabschöpfung aus einer Vielzahl von Quellen mit einer Effizienz von 93 Prozent.

Energiequellen in Energy-Harvesting-Projekten können von 2 nW/cm2 bis zu mehreren Hundert mW/cm2 liefern. Unter diesen Bedingungen muss der Entwickler ebenfalls die Auswahl der MCUs sorgfältig bedenken, um das Stromverbrauchsbudget strikt einzuhalten. Energy-Harvesting-Anwendungen teilen eine Reihe von Eigenschaften, zum Beispiel eine niedrige Geschwindigkeit, aber vor allem laufen in ihnen komplexe Arbeitszyklen mit unterschiedlichen Stromprofilen ab. Trotz der langen Schlafmodusphasen in einfachen Anwendungen trägt dennoch der Stromverbrauch einer MCU entscheidend zum Gesamt-Energiebudget bei.

Den Stromverbrauch der MCU genau analysieren

Wenn es um Sensor-Interfaces mit geringem Energieverbrauch geht, bieten die Mikrocontroller der Serie EFM32 von Silicon Labs einen Ruhestrom von weniger als 1 μA bei einer Verarbeitungsgeschwindigkeit von bis zu 48 MHz im Vollbetrieb. Auch der LPC8N04 von NXP deckt den steigenden Bedarf an kostengünstiger drahtloser Zwei-Wege-Kommunikation. Diese MCU verfügt über einen ARM-Cortex-M0+-Prozessorkern mit 32 Bit und integrierte NFC-Kapazitäten. Sie bietet Ingenieuren eine Low-Power-Plattform mit schnellem Aufwachen und effektiven Energiesparmodi.

Energy-Harvesting auf dem Vormarsch

Wenn die Lebensdauer von Batterien durch Energy-Harvesting-Techniken verlängert werden soll, ergeben sich ernsthafte Entwicklungsprobleme – die aber von den neuesten MCUs und PMICs mit sehr geringem Stromverbrauch in Angriff genommen werden. Durch die hohe Leistungsdichte und gesteigerte Betriebseffizienz können sie nicht nur die Lebensdauer einer Batterie verlängern, sondern diese in manchen Fällen sogar komplett ersetzen – etwa wenn Batteriewartung und -austausch nicht praktikabel sind. Da die Entwicklung neuer Prozesse und Technologien im Bereich des Energiemanagements in vollem Gange ist und dadurch ein immer geringerer Stromverbrauch möglich wird, wird die Bedeutung von Energy-Harvesting-Geräten mit Sicherheit noch weiter steigen.

Bildergalerie

  • Energy-Harvesting-Systeme nehmen Energie aus der Umgebung auf und wandeln diese in Strom um. Dadurch können Geräte mit geringem Strombedarf, wie zum Beispiel Sensoren, betrieben werden.

  • Der Stromverbrauch eines Sensor-Netzwerkknotens ist im Ruhezustand sehr gering. Während der Messung und der Datenübertragung steigt er hingegen stark an.

  • Typische Anwendung mit dem BQ25570.

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