Membuat pemanenan energi bekerja untuk perangkat edge IoT

Penerapan IoT terus berkembang seiring organisasi mengejar transformasi digital, dan karena kehidupan cerdas – dalam segala bentuknya – memegang kunci untuk meningkatkan kualitas hidup dan keberlanjutan.

Titik akhir IoT cenderung menjadi sensor atau, lebih jarang, aktuator yang terhubung secara nirkabel ke perangkat agregasi atau gateway internet. Mereka sering digunakan dalam jumlah besar dan, dalam skenario seperti kota pintar, pabrik pintar, atau pertanian pintar, tersebar di area geografis yang luas. Biaya untuk melakukan pemeliharaan lapangan, seperti mengganti baterai primer yang habis, biasanya mahal. Selain itu, baterai yang dibuang merupakan beban lingkungan yang semakin tidak dapat diterima.

Saat merancang titik akhir, teknisi dapat menghindari kebutuhan penggantian baterai dengan mengatur pasokan energi yang cukup untuk bertahan selama masa pakai perangkat yang diharapkan. Ini bisa beberapa tahun. Faktor bentuk sel berbentuk koin biasanya diinginkan karena batasan ukuran. Jika energi yang disimpan tidak memenuhi persyaratan sistem, pemasangan sel yang lebih besar dapat menjadi pilihan.

Alternatifnya adalah mendesain ulang sirkuit untuk mengurangi permintaan energi sistem secara keseluruhan di bawah penyimpanan sel yang tersedia. Salah satu pendekatan, atau kombinasi keduanya, mungkin gagal memenuhi target.

Pemanenan energi mikro, dalam urutan mikrowatt atau miliwatt dapat memberikan pasokan energi listrik yang berguna dan berpotensi tidak habis-habisnya, yang diambil dari lingkungan sekitar. Ini dapat melengkapi atau mengganti sel primer, tergantung pada aplikasi dan energi sekitar yang tersedia. Dimungkinkan untuk energi yang dipanen dan diubah untuk menyalakan sirkuit secara langsung. Di sisi lain, menyimpan energi dalam buffer sampai dibutuhkan bisa menjadi pendekatan yang lebih cocok.

Bagaimanapun, diperlukan sumber energi ambien yang sesuai, yang mampu memenuhi kebutuhan aplikasi. Di antara berbagai subsistem titik akhir IoT, radio menempatkan permintaan energi paling signifikan. Analisis persyaratan di sini dapat menjadi pelajaran yang bermanfaat, untuk menginformasikan desain dan integrasi sistem pemanenan energi.

Konsumsi daya subsistem radio

Memilih teknologi nirkabel yang paling sesuai untuk menyediakan kecepatan data dan jangkauan komunikasi yang diperlukan dengan konsumsi daya serendah mungkin sangatlah penting.

Jika sensor diposisikan hanya dalam jarak pendek dari agregator atau gateway seperti hub atau router yang terhubung ke Internet atau melalui pertukaran telekomunikasi lokal, teknologi seperti Bluetooth, Zigbee, atau Wi-Fi mungkin cocok, tergantung pada kecepatan data yang diperlukan dan juga pada kendala biaya. Dalam kasus lain, seperti di mana titik akhir didistribusikan di wilayah yang luas secara geografis, LPWAN atau koneksi seluler mungkin diperlukan. Gambar 1 membandingkan konsumsi daya, kecepatan data, jangkauan maksimum tipikal, dan biaya relatif dari teknologi utama yang digunakan dalam aplikasi IoT.

Jangkauan, kecepatan data, dan konsumsi daya juga dapat dinyatakan secara numerik untuk membantu perbandingan langsung. Seperti yang ditunjukkan gambar 2, subsistem nirkabel dapat mengkonsumsi mulai dari 150µW hingga 400mW.

Untuk memahami sepenuhnya efek pada permintaan energi keseluruhan sistem, perlu juga mempertimbangkan siklus kerja. Aplikasi seperti pengukur utilitas pintar melibatkan pengiriman paket data kecil beberapa kali per hari atau setiap beberapa hari. Lainnya, seperti kamera keamanan, mungkin perlu mengirim data dalam jumlah besar secara sering atau terus-menerus. Tergantung pada aplikasinya, siklus kerja dapat dikurangi dengan memfilter data secara lokal di dalam sistem sebelum mentransmisikan; kamera mungkin dilengkapi dengan sensor gerakan untuk mulai merekam hanya ketika aktivitas terdeteksi, atau pemrosesan gambar yang disematkan dapat membuang data yang tidak menarik. Tentu saja, energi yang dibutuhkan untuk menyaring data harus dibandingkan dengan energi yang dihemat dengan mengurangi siklus kerja, untuk memastikan keuntungan bersih.

Sumber energi sekitar

Setelah memperoleh pemahaman tentang energi dan daya yang dibutuhkan oleh subsistem nirkabel, adalah mungkin untuk mengevaluasi sumber ambien yang sesuai dan teknologi pemanenan energi mikro.

Teknologi pemanenan energi mikro utama yang cocok untuk memberi daya pada sistem ini adalah susunan sel surya, konverter piezoelektrik atau elektrostatik yang diaktifkan oleh getaran, dan perangkat Peltier yang mengubah gradien suhu menjadi gaya gerak listrik (EMF). Sumber energi RF yang ditangkap melalui antena patch atau kumparan cenderung tidak cocok untuk semua aplikasi kecuali aplikasi IoT yang paling hemat. Gambar 3 membandingkan kerapatan energi tipikal yang terkait dengan teknologi ini. Dengan menggunakan informasi ini, dimungkinkan untuk memilih teknologi dan mulai mengembangkan spesifikasi dengan menilai ukuran dan kinerja komponen yang tersedia.

Sel surya dengan luas 35-40cm ² dapat menghasilkan sekitar 0,5 Watt, dengan asumsi efisiensi sekitar 20%. Ini tersedia dengan harga masing-masing kurang dari 1 USD, sementara pemanen piezoelektrik biasanya setidaknya lebih mahal dan menghasilkan lebih sedikit energi. Sel surya diketahui kurang efisien bila digunakan di dalam ruangan. Namun, beberapa pemanen surya dalam ruangan telah diperkenalkan baru-baru ini yang mengklaim dapat memberikan output yang cukup untuk radio berdaya rendah.

Menggabungkan semuanya

Memanfaatkan kemajuan seperti ini, pemanenan energi mikro dapat dianggap sebagai solusi untuk mengurangi atau menghilangkan baterai di titik akhir IoT. Karena sumber energi itu sendiri seringkali tidak teratur dan belum tentu tersedia saat perangkat IoT perlu mengirim atau menerima data, biasanya diperlukan penyangga energi atau perangkat penyimpanan. Ini bisa berupa baterai isi ulang atau kapasitor (atau superkapasitor). IC manajemen daya pemanen energi (EH PMIC) diperlukan untuk menangani energi dari subsistem pemanenan, mengelola muatan yang dipasok ke buffer energi, dan memberi daya pada beban saat dibutuhkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Berbagai teknologi pemanenan energi telah karakteristik listrik yang berbeda. Pemanen termoelektrik menghasilkan arus DC kontinu pada tegangan rendah dan juga impedansi rendah. Sementara sel surya juga menghasilkan tegangan DC yang rendah, arus, dan karenanya impedansi, bervariasi menurut tingkat cahaya.

EH PMICS khas di pasar saat ini memiliki arsitektur tetap dan rentang tegangan input yang dirancang untuk beroperasi dengan jenis pemanen tertentu. Ini menghalangi penggunaan pemanen alternatif untuk menangkap energi ambien tambahan jika satu sumber saja tidak dapat memenuhi persyaratan sistem. Jika beberapa sumber energi diperlukan, oleh karena itu, EH PMIC khusus diperlukan untuk masing-masing sumber. Hal ini menambah biaya sistem, ukuran, dan konsumsi daya, dan juga dapat memperumit desain.

Beberapa PMIC EH dapat dimodifikasi menggunakan sirkuit eksternal untuk mengkondisikan output pemanen energi. Namun, untuk menyederhanakan desain sistem, EH PMIC Trameto, yang disebut OptiJoule, memberikan input yang secara otomatis beradaptasi dengan berbagai jenis pemanen yang terhubung dan memaksimalkan daya yang dikirimkan ke buffer, tanpa memerlukan sirkuit eksternal. Versi tersedia untuk input tunggal atau hingga empat input. Versi multi-input menampilkan fleksibilitas untuk menghubungkan jenis pemanen yang serupa atau berbeda. Jadi, dengan perangkat OptiJoule, dimungkinkan untuk menskalakan kapasitas pemanenan energi mikro, menggunakan satu PMIC untuk beberapa aplikasi, dan bahkan menunda pemilihan teknologi pemanenan energi hingga nanti dalam pengembangan produk jika diperlukan.

Kesimpulan

Melalui pengembangan protokol radio yang dioptimalkan, desain mikroprosesor energi rendah, sensor daya rendah, dan peningkatan efisiensi pemanenan energi mikro, energi ambien telah menjadi sumber yang layak untuk membantu mengurangi atau menghilangkan ketergantungan pada baterai dan memperpanjang masa operasi titik akhir IoT di lapangan. Perkembangan terbaru dalam EH PMIC memungkinkan fleksibilitas ekstra untuk mengelola ukuran, biaya, dan kompleksitas saat mengintegrasikan teknologi pemanenan energi mikro terpilih.