Selvforsynende kredsløb giver bedre sensorer

ASICs til selvforsynende IoT-sensorapplikationer med integreret energy harvesting power management interfaces kan hjælpe os af med batteriskift.

Af Johan Pedersen

Min IoT-sensors batteri er løbet tør… igen…

Internet of Things er ved at være et godt brugt begreb, og spådommene omkring hvor mange millioner eller milliarder enheder, der kommer på nettet, kan være svære at forholde sig til. Ét er dog sikkert – der ligger et stadigt stort potentiale i at instrumentere omverdenen med trådløse sensorer til et væld af applikationer og få ”ting på nettet”. Alt fra home automation og alarmsystemer, intelligent tøj og fitness trackere til industriel monitorering og herigennem optimering. En stor barriere for at realisere dette er batterier. Hvis vi kan undgå batterier, vil udrulningen gå meget stærkere, da et batteriskift fx i en trådløs termostat bliver en stor barriere, når man har 10 af dem. De løber tør på skift, og varmen er ude af kontrol, indtil man får batterierne skiftet.

Selvforsynende sensorer

Én løsning er at gøre enhederne selvforsynende med energi. Et energi-autonomt system, der lader sig selv op med energi fra omgivelserne, betyder en servicefri løsning. Afhængigt af omgivelserne kan det dreje sig om energi fra mange kilder såsom lys, bevægelse, varme, magnetiske og elektriske felter. Emnet kaldes energy harvesting og er på flere og fleres læber, men større udbredelse af batteriløse og selvforsynende systemer lader stadig vente på sig.

Hvis man vurderer de tilgængelige løsninger og komponenter på energy harvesting markedet, vil man opleve, at der er behov for dybe kompetencer både indenfor fysik og effektelektronik for at komme i gang. Man kan ikke blot smide batteriet ud og indsætte en energihøster som fx en termoelektrisk generator til at høste energi fra varme. En selvforsynende enhed kræver, at hele IoT-sensorenheden inkl. sensor-, dataprocesserings- og kommunikationsdelen er designet til energy harvesting. Der skal nemlig tages højde for, at energikilden kan variere, og der muligvis ikke altid er energi nok. Samtidig er den elektriske profil af en energy harvesting generator meget forskellig fra et batteri.

Energy harvesting IC-markedet

De primære komponenter, det kræver at realisere en selvforsynende løsning, er ikke kun en energy harvesting generator (som fx solcelle, termogenerator, piezoelement), men også et interface til power management, da ingen energy harvesting generator har samme output karakteristik som et batteri. Flere producenter af Integrated Circuits (IC) har komponenter til energy harvesting markedet og udbyder derfor også flere typer power management interfaces. Disse består af et indgangstrin, som typisk er målrettet en eller to typer generatorer. Mange solcelle IC’er dækker fx også termoelektriske generatorer ved lave gradienter, da deres impedans-match er lignende, og de derfor kan drives på samme måde. Dog er der kompromiser, og mange løsninger har brede specifikationer for at sikre bred anvendelse og høj volumen.

Figur 1. Udsnit af energy harvesting power management IC’er på markedet og deres fordeling mellem solceller, termiske og mekaniske energy harvesting generatorer.

One-size passer ikke alle

At mange IC’er forsøger at dække bredt over flere energy harvesting generatorteknologier, gør det lettere at finde en IC, der kan fungere, men svært at optimere. Der er typisk sparsomt med energi tilstede, og en høj effektivitet er derfor vigtig. Endnu vigtigere er dog prisen på en IC. Ekstra funktionalitet, der ikke bruges i en IC, er spild af silicium, hvilket resulterer i en højere pris end nødvendigt. Derfor løber mange IoT-sensorudviklere hovedet mod en prismur, når Bill of Materials skal stilles op for en selvforsynende løsning. Hvis generatoren koster et par dollar, og energy harvesting IC’en oveni koster endnu mere, er der lige pludselig langt til den ene dollar, som fx et knapcellebatteri koster.

Skræddersyet chip til selvforsynende IoT-sensor

I høj volumen, ved produktion af over 100.000 IoT-sensorer, giver det mening at evaluere skræddersyede IC’er (ASIC) til at integrere ellers diskrete løsninger. En ASIC kan favne både energy harvesting power management interface, sensor interface, processor og kommunikationsinterface i samme chip, hvilket realiserer et såkaldt System-on-Chip. Herved optimerer man brugen af silicium og derved stykprisen.

I scenarier, hvor den samlede selvforsynende IoT-sensor løsning kommer ned i en pris af et par dollar og fylder mindre end en tændstikæske, bliver det relevant at tale om den store udbredelse af IoT-sensorer. Niveauer såsom temperatur, fugtighed, vibration på fx en produktionslinje kan pludselig monitoreres pr. meter, alarm og sikkerhedssystemer kan monitorere alle døre og vinduer, og indeklimaet i en bygning kan blive styret gennem en matrix af målepunkter i stedet for en enkelt føler, der sidder lige ved siden af radiatoren. Mulighederne er mange, og det er let at komme på de første ideer til potentielle selvforsynende koncepter. Når først IoT-sensoren bliver fri af batteriet, er der ”næsten” ingen grænser for, hvor den kan optimere vores hverdag.

Led i resultatkontrakt

DELTA – en del af FORCE Technology arbejder til dagligt med IoT-sensorer og energy harvesting i mange forskellige industrier og udvikler ASIC IP til energy harvesting. DELTA – en del af FORCE Technology driver projektet ”Batteriløs og selvforsynende elektronik”, som er en del af GTS-resultatkontrakten med Styrelsen for Forskning og Innovation. Aktiviteterne vejledes af repræsentanter fra den danske industri og har til formål at fremme danske virksomheders udnyttelse af de teknologiske og forretningsmæssige muligheder i energy harvesting.

Denne artikel er et uddrag af en artikel bragt i Aktuel Elektronik nr. 13, 2016.

Læs hele artiklen her

For mere information kontakt Johan Pedersen, Specialist, Energy Harvesting & IoT hos DELTA, tlf. +45 72 19 43 23.

DELTA og FORCE Technology fusionerer

Fra 2017 bliver DELTA en del af FORCE Technology. Fusionen medvirker til et stærkere GTS-net til gavn for dansk erhvervsliv. Her kan du læse mere om fusionen:

På Dansk

På Engelsk