Exploiter la récupération d'énergie pour des périphériques IoT Edge fiables

Les déploiements IoT s'accélèrent alors que les organisations adoptent la transformation numérique, et la vie intelligente — dans les villes, les usines et les fermes — promet d'améliorer la qualité de vie et la durabilité.

Les terminaux IoT sont généralement des capteurs — ou, plus rarement, des actionneurs — qui se connectent sans fil à un agrégateur ou une passerelle Internet. Ils sont déployés en grand nombre et répartis sur de vastes zones. La maintenance sur site, comme le remplacement de batteries primaires épuisées, est souvent prohibitivement coûteuse et génère des déchets environnementaux inacceptables.

Les ingénieurs peuvent contourner le remplacement des batteries en concevant des terminaux avec des réserves d'énergie suffisantes pour leur durée de vie prévue, souvent plusieurs années. Un format pile bouton est généralement privilégié en raison des contraintes d'espace. Si l'énergie stockée est insuffisante, une pile plus grande peut être utilisée.

Alternativement, la refonte du circuit pour réduire la consommation globale d'énergie en dessous de la capacité de stockage de la pile peut aider. L'une ou l'autre stratégie — ou un mélange des deux — pourrait encore ne pas atteindre l'objectif.

La micro-récupération d'énergie, produisant des microwatts ou des milliwatts de puissance, offre une source d'électricité utile et potentiellement inépuisable captée dans l'environnement ambiant. Elle peut compléter ou remplacer une pile primaire, selon l'application et l'énergie ambiante disponible. Dans certains cas, l'énergie récupérée et convertie peut alimenter directement le circuit ; dans d'autres, la stocker dans un tampon jusqu'à ce qu'elle soit nécessaire est plus approprié.

Dans tous les cas, une source d'énergie ambiante adaptée est nécessaire pour répondre aux besoins de l'application. Parmi les différents sous-systèmes du terminal IoT, la radio consomme le plus d'énergie. L'analyse de ses exigences peut guider la conception et l'intégration du système de récupération d'énergie.

Consommation d'énergie du sous-système radio

Choisir la technologie sans fil la plus adaptée pour fournir le débit de données et la portée de communication requis avec la consommation d'énergie la plus faible possible est crucial.

Si le capteur est positionné à courte distance d'un agrégateur ou d'une passerelle — comme un hub ou un routeur connecté à Internet ou à un échange télécom local — des technologies comme Bluetooth, Zigbee ou Wi‑Fi peuvent être appropriées, selon le débit de données requis et les contraintes de coût. Pour des terminaux répartis sur de grandes zones géographiques, une connexion LPWAN ou cellulaire peut être nécessaire. La Figure 1 compare la consommation d'énergie, le débit de données, la portée maximale typique et les coûts relatifs des principales technologies utilisées dans les applications IoT.

La portée, 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 l'impact sur la demande énergétique globale du système, le cycle de service doit être pris en compte. Des applications comme les compteurs intelligents de services publics envoient de petits paquets de données quelques 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 avant la transmission ; une caméra, par exemple, pourrait inclure un capteur de mouvement pour commencer l'enregistrement seulement quand une activité est détectée, ou un traitement d'image embarqué pourrait éliminer les images non pertinentes. L'énergie nécessaire pour filtrer les données doit être pesée contre les économies d'un cycle de service réduit pour garantir un bénéfice net.

Sources d'énergie ambiante

Avec une image claire des besoins énergétiques du sous-système sans fil, les sources ambiantes appropriées et les technologies de micro-récupération d'énergie peuvent être évaluées.

Les principales technologies de micro-récupération d'énergie capables d'alimenter ces systèmes sont les réseaux de cellules solaires, les convertisseurs piézoélectriques ou électrostatiques activés par les vibrations, et les dispositifs Peltier qui convertissent un gradient de température en force électromotrice (FEM). L'énergie RF captée par des antennes patch ou bobine est généralement adaptée uniquement aux applications IoT les plus économes. La Figure 3 compare les densités d'énergie typiques de ces technologies. En utilisant ces informations, une technologie peut être sélectionnée et une spécification développée en évaluant les tailles et performances des composants.

Des cellules solaires d'une surface de 35 à 40 cm² peuvent générer environ 0,5 W, en supposant un rendement d'environ 20 %. Ces cellules sont disponibles pour moins de 1 $ chacune en volume, alors que les récupérateurs piézoélectriques sont généralement au moins d'un ordre de grandeur plus chers et produisent moins d'énergie. Les cellules solaires sont moins efficaces en intérieur, mais des récupérateurs d'intérieur récents revendiquent un rendement suffisant pour les radios à faible puissance.

Mettre tout ensemble

En tirant parti de ces avancées, la micro-récupération d'énergie peut réduire ou éliminer les batteries dans les terminaux IoT. Comme les sources ambiantes sont irrégulières et peuvent ne pas être disponibles quand l'appareil doit transmettre ou recevoir des données, un tampon d'énergie — comme une batterie rechargeable, un condensateur ou un supercondensateur — est généralement requis. Un circuit intégré de gestion d'énergie de récupération (EH PMIC) gère l'énergie du sous-système de récupération, charge le tampon et alimente la charge quand nécessaire, comme le montre la Figure 4. Différentes technologies de récupération ont des caractéristiques électriques distinctes. Les récupérateurs thermoélectriques produisent un courant continu à basse tension et sont à faible impédance ; les cellules solaires produisent également une tension continue basse, mais le courant — et donc l'impédance — varie avec le niveau de lumière.

Les EH PMIC typiques du marché actuel ont des architectures fixes et des plages de tension d'entrée adaptées à un type de récupérateur particulier. Cela limite la capacité à combiner plusieurs sources d'énergie si une seule ne peut pas répondre aux exigences du système. Lorsque plusieurs sources sont nécessaires, un EH PMIC dédié est requis pour chacune, ajoutant coût, taille, consommation d'énergie et complexité de conception.

Certains EH PMIC peuvent être ajustés avec un circuit externe pour conditionner la sortie d'un récupérateur. Pour simplifier la conception du système, les EH PMIC de Trameto — appelés OptiJoule — offrent des entrées qui s'adaptent automatiquement aux différents récupérateurs connectés et maximisent la puissance délivrée au tampon, sans circuit externe. Des versions sont disponibles pour une entrée unique ou jusqu'à quatre entrées. Les versions multi-entrées permettent la connexion de récupérateurs similaires ou différents. Avec les dispositifs OptiJoule, la capacité de micro-récupération d'énergie peut être mise à l'échelle, un seul PMIC peut servir plusieurs applications, et le choix de la technologie de récupération peut être différé jusqu'à plus tard dans le développement du produit.

Conclusion

Les avancées dans les protocoles radio optimisés, la conception de microprocesseurs à faible énergie, les capteurs à faible consommation et l'augmentation de l'efficacité de la micro-récupération d'énergie ont fait de l'énergie ambiante une source viable pour réduire ou éliminer les batteries dans les périphériques IoT Edge. Les derniers développements en EH PMIC offrent la flexibilité nécessaire pour gérer la taille, le coût et la complexité lors de l'intégration des technologies de micro-récupération d'énergie sélectionnées.