Faire fonctionner la récupération d'énergie pour les appareils IoT de périphérie

Les déploiements de l'IoT continuent de progresser à mesure que les organisations poursuivent leur transformation numérique et que la vie intelligente - sous toutes ses formes - détient la clé de l'amélioration de la qualité de vie et de la durabilité.

Les points de terminaison IoT ont tendance à être des capteurs ou, moins fréquemment, des actionneurs connectés sans fil à un appareil d'agrégation ou à une passerelle Internet. Ils sont souvent déployés en grand nombre et, dans un scénario comme la ville intelligente, l'usine intelligente ou l'agriculture intelligente, dispersés sur une vaste zone géographique. Le coût de la maintenance sur le terrain, comme le remplacement des batteries primaires déchargées, est généralement prohibitif. De plus, les piles mises au rebut représentent une charge environnementale de plus en plus inacceptable.

Lors de la conception des terminaux, les ingénieurs peuvent éviter d'avoir à remplacer la batterie en prévoyant une alimentation en énergie suffisante pour la durée de vie prévue de l'appareil. Cela peut prendre plusieurs années. Un facteur de forme de pile bouton est généralement souhaitable en raison des contraintes de taille. Si l'énergie stockée ne répond pas aux exigences du système, l'installation d'une cellule plus grande peut être une option.

Une alternative consiste à reconcevoir les circuits pour réduire la demande globale d'énergie du système en dessous du stockage cellulaire disponible. L'une ou l'autre approche, ou une combinaison des deux, peut ne pas atteindre l'objectif.

La micro-récupération d'énergie, de l'ordre du microwatt ou du milliwatt, peut fournir une source utile et potentiellement inépuisable d'énergie électrique, captée dans l'environnement ambiant. Celui-ci peut compléter ou remplacer une cellule primaire, selon l'application et l'énergie ambiante disponible. Il est possible que l'énergie récupérée et convertie alimente directement les circuits. D'un autre côté, stocker l'énergie dans un tampon jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire peut être une approche plus appropriée.

Dans tous les cas, une source d'énergie ambiante appropriée est requise, capable de répondre aux besoins de l'application. Parmi les différents sous-systèmes du point de terminaison IoT, la radio représente la demande d'énergie la plus importante. Il peut être instructif d'analyser les exigences ici, pour éclairer la conception et l'intégration du système de récupération d'énergie.

Consommation électrique du sous-système radio

Il est essentiel de choisir la technologie sans fil la plus appropriée pour fournir le débit de données et la plage de communication requis avec la consommation d'énergie la plus faible possible.

Si le capteur doit être positionné à une courte distance d'un agrégateur ou d'une passerelle comme un concentrateur ou un routeur connecté à Internet ou via un central de télécommunications local, une technologie telle que Bluetooth, Zigbee ou Wi-Fi peut convenir, selon sur le débit requis ainsi que sur les contraintes de coûts. Dans d'autres cas, comme lorsque les points de terminaison sont répartis sur une zone géographiquement étendue, une connexion LPWAN ou cellulaire peut être nécessaire. La figure 1 compare la consommation électrique, le débit de données, la portée maximale typique et les coûts relatifs des principales technologies utilisées dans les applications IoT.

La plage, le débit de données et la consommation d'énergie peuvent également être exprimés numériquement pour faciliter la comparaison directe. Comme le montre la figure 2, un sous-système sans fil peut consommer de 150 µW à 400 mW.

Pour bien comprendre les effets sur la demande globale d'énergie du système, il est également nécessaire de considérer le cycle de service. Des applications telles que les compteurs intelligents de services publics impliquent l'envoi de petits paquets de données plusieurs fois par jour ou tous les quelques jours. D'autres, comme les caméras de sécurité, peuvent avoir besoin d'envoyer de grandes quantités de données fréquemment ou en continu. Selon l'application, le cycle de service peut être réduit en filtrant les données localement au sein du système avant de les transmettre ; une caméra peut être équipée d'un capteur de mouvement pour démarrer l'enregistrement uniquement lorsqu'une activité est détectée, ou le traitement d'image intégré peut éliminer les données inintéressantes. Bien entendu, l'énergie nécessaire pour filtrer les données doit être comparée à l'énergie économisée en réduisant le cycle de service, pour assurer un bénéfice net.

Sources d'énergie ambiante

Après avoir acquis une compréhension de l'énergie et de la puissance demandées par le sous-système sans fil, il est possible d'évaluer les sources ambiantes appropriées et les technologies de micro-récupération d'énergie.

Les principales technologies de micro-récupération d'énergie adaptées à l'alimentation de ces systèmes sont des réseaux de cellules solaires, des convertisseurs piézoélectriques ou électrostatiques activés par des vibrations et des dispositifs Peltier qui convertissent un gradient de température en une force électromotrice (CEM). Les sources d'énergie RF capturées via des antennes patch ou bobines ont tendance à ne pas convenir à toutes les applications IoT, à l'exception des plus frugales. La figure 3 compare les densités énergétiques typiques associées à ces technologies. À l'aide de ces informations, il est possible de sélectionner une technologie et de commencer à développer une spécification en évaluant les tailles et les performances des composants disponibles.

Cellules solaires d'une superficie de 35-40cm ² peut générer environ 0,5 watts, en supposant une efficacité d'environ 20 %. Ceux-ci sont disponibles pour moins de 1 USD chacun en volume, tandis que les collecteurs piézoélectriques sont généralement au moins un ordre de grandeur plus chers et produisent moins d'énergie. Les cellules solaires sont connues pour être moins efficaces lorsqu'elles sont utilisées à l'intérieur. Cependant, certains capteurs solaires d'intérieur ont été introduits récemment et prétendent fournir une sortie suffisante pour les radios de faible puissance.

Rassembler tout cela

Tirant parti de telles avancées, la micro-récupération d'énergie peut être considérée comme une solution pour réduire ou éliminer les batteries dans les terminaux IoT. Étant donné que les sources d'énergie elles-mêmes sont souvent irrégulières et pas nécessairement disponibles lorsque l'appareil IoT doit transmettre ou recevoir des données, un tampon d'énergie ou un périphérique de stockage est généralement nécessaire. Cela peut être une batterie rechargeable ou un condensateur (ou supercondensateur). Un circuit intégré de gestion de l'énergie de récupération d'énergie (EH PMIC) est nécessaire pour gérer l'énergie du sous-système de récupération d'énergie, gérer la charge fournie au tampon d'énergie et alimenter la charge en cas de besoin, comme le montre la figure 4. Les différentes technologies de récupération d'énergie ont caractéristiques électriques différentes. Les moissonneuses-batteuses thermoélectriques produisent un courant continu continu à basse tension et donc à faible impédance. Alors que les cellules solaires produisent également une faible tension continue, le courant, et donc l'impédance, varie avec le niveau de lumière.

Les PMICS EH typiques sur le marché aujourd'hui ont une architecture fixe et une plage de tension d'entrée conçue pour fonctionner avec un type particulier de récolteuse. Cela exclut l'utilisation d'un autre collecteur pour capturer l'énergie ambiante supplémentaire si une seule source ne peut pas satisfaire les exigences du système. Si plusieurs sources d'énergie sont nécessaires, par conséquent, un EH PMIC dédié est nécessaire pour chacune. Cela augmente le coût, la taille et la consommation d'énergie du système, et peut également compliquer la conception.

Certains PMIC EH peuvent être modifiés à l'aide de circuits externes pour conditionner la sortie du récupérateur d'énergie. Cependant, pour simplifier la conception du système, les PMIC EH de Trameto, appelés OptiJoule, fournissent des entrées qui s'adaptent de manière autonome à divers types de moissonneuses-batteuses connectées et maximisent la puissance délivrée au tampon, sans nécessiter de circuits externes. Des versions sont disponibles pour des entrées simples ou avec jusqu'à quatre entrées. Les versions à entrées multiples offrent la possibilité de connecter des types d'abatteuses similaires ou différents. Ainsi, avec les appareils OptiJoule, il est possible d'augmenter la capacité de récupération d'énergie micro, d'utiliser un seul PMIC pour plusieurs applications et même de retarder la sélection de la technologie de récupération d'énergie à plus tard dans le développement d'un produit si nécessaire.

Conclusion

Grâce aux développements de protocoles radio optimisés, à la conception de microprocesseurs à faible consommation d'énergie, aux capteurs à faible consommation d'énergie et à l'efficacité croissante de la micro-récupération d'énergie, l'énergie ambiante est devenue une source viable pour aider à réduire ou éliminer la dépendance aux batteries et prolonger la durée de vie des terminaux IoT dans le champ. Les derniers développements des PMIC EH offrent une flexibilité supplémentaire pour gérer la taille, le coût et la complexité lors de l'intégration de technologies sélectionnées de micro-récupération d'énergie.