에지 IoT 장치를 위한 에너지 수확 작업 만들기

조직이 디지털 혁신을 추구하고 모든 형태의 스마트 생활이 삶의 질과 지속 가능성을 향상시키는 열쇠를 쥐고 있기 때문에 IoT 배포는 계속 진행됩니다.

IoT 끝점은 일반적으로 집계 장치 또는 인터넷 게이트웨이에 무선으로 연결되는 센서 또는 덜 자주 사용되는 액추에이터입니다. 스마트 시티, 스마트 팩토리 또는 스마트 농업과 같은 시나리오에서 대규모로 배치되는 경우가 많으며 지리적으로 넓은 지역에 분산되어 있습니다. 방전된 1차 전지를 교체하는 것과 같은 현장 유지 관리를 수행하는 데 드는 비용은 일반적으로 어마어마합니다. 또한, 폐기된 배터리는 점점 더 수용할 수 없는 환경 부담을 나타냅니다.

엔드포인트를 설계할 때 엔지니어는 장치의 예상 수명 동안 지속할 수 있는 충분한 에너지 공급을 배치하여 배터리 교체의 필요성을 피할 수 있습니다. 이것은 몇 년이 될 수 있습니다. 코인 셀 폼 팩터는 일반적으로 크기 제약으로 인해 바람직합니다. 저장된 에너지가 시스템 요구 사항에 미치지 못하는 경우 더 큰 셀을 장착하는 것이 옵션일 수 있습니다.

대안은 사용 가능한 셀 스토리지 미만으로 전체 시스템 에너지 수요를 줄이기 위해 회로를 재설계하는 것입니다. 두 가지 접근 방식 중 하나 또는 두 가지를 조합하여 목표를 달성하지 못할 수 있습니다.

마이크로와트 또는 밀리와트 정도의 마이크로 에너지 수확은 주변 환경에서 캡처된 유용하고 잠재적으로 고갈되지 않는 전기 에너지 공급을 제공할 수 있습니다. 이는 사용 가능한 주변 에너지 및 애플리케이션에 따라 1차 전지를 보완하거나 대체할 수 있습니다. 수확 및 변환된 에너지가 회로에 직접 전원을 공급하는 것이 가능할 수 있습니다. 반면에 필요할 때까지 버퍼에 에너지를 저장하는 것이 더 적합한 접근 방식일 수 있습니다.

어떤 경우든 애플리케이션의 요구 사항을 충족할 수 있는 적절한 주변 에너지원이 필요합니다. IoT 엔드포인트의 다양한 하위 시스템 중에서 무선이 가장 많은 에너지를 요구합니다. 에너지 수확 시스템의 설계 및 통합을 알리기 위해 여기에서 요구 사항을 분석하는 것이 유익할 수 있습니다.

무선 하위 시스템 전력 소비

가장 낮은 전력 소비로 필요한 데이터 속도와 통신 범위를 제공하기 위해 가장 적합한 무선 기술을 선택하는 것이 중요합니다.

센서가 인터넷에 연결된 허브나 라우터와 같은 게이트웨이나 집선기에서 가까운 거리에 위치하거나 로컬 통신 교환기를 통해 위치해야 하는 경우 Bluetooth, Zigbee 또는 Wi-Fi와 같은 기술이 적합할 수 있습니다. 필요한 데이터 속도와 비용 제약 조건에 대해 설명합니다. 엔드포인트가 지리적으로 넓은 지역에 분산되어 있는 경우와 같은 다른 경우에는 LPWAN 또는 셀룰러 연결이 필요할 수 있습니다. 그림 1은 IoT 애플리케이션에 사용되는 주요 기술의 전력 소비, 데이터 속도, 일반적인 최대 범위 및 상대 비용을 비교합니다.

범위, 데이터 속도 및 전력 소비량도 수치로 표현하여 직접적인 비교를 돕습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 무선 하위 시스템은 150µW에서 400mW 정도만 소비할 수 있습니다.

시스템의 전체 에너지 수요에 미치는 영향을 완전히 이해하려면 듀티 사이클도 고려해야 합니다. 스마트 유틸리티 미터와 같은 애플리케이션에는 하루에 몇 번 또는 며칠에 한 번씩 작은 데이터 패킷을 보내는 것이 포함됩니다. 보안 카메라와 같은 다른 장치는 대량의 데이터를 자주 또는 지속적으로 전송해야 할 수 있습니다. 애플리케이션에 따라 전송하기 전에 시스템 내에서 로컬로 데이터를 필터링하여 듀티 사이클을 줄일 수 있습니다. 카메라에 움직임 센서가 장착되어 활동이 감지될 때만 기록을 시작하거나 내장된 이미지 처리가 흥미롭지 않은 데이터를 버릴 수 있습니다. 물론 데이터를 필터링하는 데 필요한 에너지는 순 이익을 보장하기 위해 듀티 사이클을 줄여서 절약한 에너지와 비교해야 합니다.

주변 에너지원

무선 하위 시스템이 요구하는 에너지와 전력을 이해하면 적절한 주변 소스와 마이크로 에너지 수확 기술을 평가할 수 있습니다.

이러한 시스템에 전원을 공급하는 데 적합한 주요 마이크로 에너지 수확 기술은 태양 전지 어레이, 진동에 의해 활성화되는 압전 또는 정전기 변환기, 온도 구배를 기전력(EMF)으로 변환하는 펠티에 장치입니다. 패치 또는 코일 안테나를 통해 캡처된 RF 에너지 소스는 가장 검소한 IoT 애플리케이션을 제외한 모든 애플리케이션에 적합하지 않은 경향이 있습니다. 그림 3은 이러한 기술과 관련된 일반적인 에너지 밀도를 비교합니다. 이 정보를 사용하여 기술을 선택하고 사용 가능한 구성 요소의 크기와 성능을 평가하여 사양 개발을 시작할 수 있습니다.

면적이 35-40cm인 태양 전지 ² 효율이 약 20%라고 가정하면 약 0.5와트를 생성할 수 있습니다. 압전 수확기는 일반적으로 최소 10배는 더 비싸고 에너지를 덜 생산하는 반면, 이들은 각 볼륨당 1달러 미만으로 사용할 수 있습니다. 태양 전지는 실내에서 사용할 때 효율성이 떨어지는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 저전력 라디오에 충분한 출력을 제공한다고 주장하는 일부 실내 태양열 수확기가 최근에 도입되었습니다.

모든 것을 통합

이와 같은 발전을 활용하여 마이크로 에너지 하베스팅은 IoT 엔드포인트에서 배터리를 줄이거나 제거하는 솔루션으로 간주될 수 있습니다. IoT 장치가 데이터를 송수신해야 할 때 에너지원 자체가 불규칙하고 반드시 사용할 수 있는 것은 아니기 때문에 일반적으로 에너지 버퍼 또는 저장 장치가 필요합니다. 이것은 충전식 배터리 또는 커패시터(또는 슈퍼커패시터)일 수 있습니다. EH PMIC(Energy Harvesting Power Management IC)는 그림 4와 같이 수확 서브시스템의 에너지를 처리하고 에너지 버퍼에 공급되는 전하를 관리하며 필요할 때 부하에 전력을 공급하는 데 필요합니다. 다양한 에너지 수확 기술에는 다른 전기적 특성. 열전 수확기는 낮은 전압에서 연속 DC 전류를 생성하므로 임피던스가 낮습니다. 태양 전지는 또한 낮은 DC 전압을 생성하지만 전류와 임피던스는 빛의 수준에 따라 달라집니다.

오늘날 시장에 나와 있는 일반적인 EH PMICS에는 특정 유형의 수확기와 함께 작동하도록 설계된 고정 아키텍처 및 입력 전압 범위가 있습니다. 이것은 하나의 소스만으로는 시스템 요구 사항을 충족할 수 없는 경우 추가 주변 에너지를 캡처하기 위해 대체 수확기를 사용하는 것을 방지합니다. 따라서 여러 개의 에너지원이 필요한 경우 각각에 대해 전용 EH PMIC가 필요합니다. 이는 시스템 비용, 크기 및 전력 소비를 증가시키고 설계를 복잡하게 만들 수도 있습니다.

일부 EH PMIC는 에너지 수확기의 출력을 조절하기 위해 외부 회로를 사용하여 수정할 수 있습니다. 그러나 시스템 설계를 단순화하기 위해 OptiJoule이라고 하는 Trameto의 EH PMIC는 외부 회로 없이도 다양한 유형의 연결된 수확기에 자동으로 적응하고 버퍼에 전달되는 전력을 최대화하는 입력을 제공합니다. 단일 입력 또는 최대 4개의 입력이 있는 버전을 사용할 수 있습니다. 다중 입력 버전에는 유사하거나 다른 유형의 수확기를 연결할 수 있는 유연성이 있습니다. 따라서 OptiJoule 장치를 사용하면 마이크로 에너지 수확 용량을 확장하고 여러 애플리케이션에 단일 PMIC를 사용하며 필요한 경우 제품 개발 후반까지 에너지 수확 기술 선택을 연기할 수도 있습니다.

결론

최적화된 무선 프로토콜, 저에너지 마이크로프로세서 설계, 저전력 센서의 개발 및 마이크로 에너지 수확의 효율성 증가를 통해 주변 에너지는 배터리 의존도를 줄이거나 없애고 IoT 종단점의 작동 수명을 연장하는 데 도움이 되는 실행 가능한 소스가 되었습니다. 필드. EH PMIC의 최신 개발은 선택된 마이크로 에너지 수확 기술을 통합할 때 크기, 비용 및 복잡성을 관리할 수 있는 추가적인 유연성을 허용합니다.