Verwendung eines Energy-Harvesting-Mikrocontrollers zur Eliminierung des IoT-Batteriewechsels

Entwickler von ungebundenen Geräten für das Internet der Dinge (IoT) sind ständig auf der Suche nach besseren Möglichkeiten, diese Geräte mit Strom zu versorgen, um Ausfallzeiten in privaten, kommerziellen oder industriellen Anwendungen zu minimieren. Primärbatterien müssen ständig überwacht werden, und wenn sie schließlich ersetzt werden, stellen sie ein erhebliches Entsorgungsproblem dar. Wiederaufladbare Batterien lösen das Entsorgungsproblem, aber die Geräte müssen demontiert, aufgeladen und wieder montiert werden.

Die Einschränkungen traditioneller Ansätze haben zu einem verstärkten Interesse an Energy-Harvesting-Techniken geführt, bei denen die Umgebungsenergie zur Stromversorgung eines Geräts genutzt wird. Das Problem für Entwickler ist, dass die Schaltungen, die für die Energiegewinnung und das Aufladen der Batterien benötigt werden, die Komplexität, Größe und Kosten des Designs erheblich erhöhen können.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über den Einsatz von Energy Harvesting in IoT-Anwendungen und skizziert einige der Herausforderungen, denen sich Entwickler gegenübersehen. Anschließend wird ein Ansatz vorgestellt, der diese Herausforderungen durch die Integration von Schaltungen für das Energy Harvesting und Batterielademanagement auf einem Mikrocontroller (MCU) überwindet. Anhand von Beispiellösungen und zugehörigen Evaluierungsboards von Renesas zeigt der Artikel, wie der Ansatz angewendet werden kann, um die Notwendigkeit eines Batteriewechsels in IoT-Geräten effektiv zu eliminieren.

Warum Energy Harvesting für das IoT nutzen?

Energy Harvesting ist eine attraktive Lösung für IoT-Anwendungen, wie z. B. drahtlose Sensorsysteme mit geringem Stromverbrauch, wo es den Einsatz von völlig drahtlosen Geräten ermöglicht, die wenig oder gar keine Wartung benötigen. Typischerweise benötigen diese Geräte immer noch eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator, um den Spitzenstrombedarf zu decken.

Im Prinzip kann das System durch die Nutzung der Umgebungsenergie einen kleineren Energiespeicher einsetzen und dessen Lebensdauer verlängern. Im Gegenzug kann das resultierende IoT-Design potenziell in ein kleineres Gehäuse passen, solange die Energy-Harvesting-Funktionalität nur wenig zur Teilezahl des Designs beiträgt. In der Praxis vereitelt jedoch die Notwendigkeit zusätzlicher Komponenten zur Implementierung von Energy Harvesting die Versuche, den Footprint zu reduzieren.

Das Problem ist, dass eine Energy-Harvesting-Stromquelle typischerweise separate Komponenten benötigt, um die Umgebungsenergie zu ernten und ein ordnungsgemäßes Lademanagement für einen Energiespeicher wie eine wiederaufladbare Batterie oder einen Superkondensator sicherzustellen. Zu einem bereits minimalistischen drahtlosen Systemdesign, das aus einer MCU, einem Sensor und einem Hochfrequenz(HF)-Transceiver besteht, kann diese zusätzliche Funktionalität ein einfaches Design mit wenigen Teilen in ein relativ komplexes verwandeln (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der Einsatz von Energy Harvesting in IoT-Geräten kann deren Benutzer von der Wartung der Batterien befreien, aber die zusätzlichen Anforderungen haben in der Regel zu immer größeren Geräten, höherer Designkomplexität und höheren Kosten geführt; all das läuft den Anforderungen eines ungebundenen IoT-Designs zuwider. (Bildquelle: Renesas)

Minimierung der Komponenten für IoT-Designs

Bislang wurden viele der verschiedenen Komponenten, die für Energy Harvesting benötigt werden, in spezialisierte Module und integrierte Schaltungen für das Energiemanagement (PMICs) integriert, wie z.B. dem LTC3105/LTC3107 von Analog Devices, dem S6AE101A von Cypress Semiconductor, dem MCRY12-125Q-42DIT von Matrix Industries und vielen anderen. Solche Komponenten liefern eine geregelte Spannungsschiene von einer Solarzelle, einem thermoelektrischen Generator (TEG), einem piezoelektrischen Schwingungswandler oder einer anderen Energiequelle. Als solche können sie als komplette Energy-Harvesting-Stromversorgung für ein grundlegendes IoT-Hardware-Design dienen. Dennoch müssen die Entwickler an die Grenzen gehen, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen und einen Wettbewerbsvorteil zu erhalten oder zu erreichen.

Die MCU-Familie RE01 von Renesas hilft bei der Erreichung dieser Ziele, da sie den Integrationsansatz weiterführt, indem sie einen Energy-Harvesting-Controller (EHC) in das Gerät integriert. Tatsächlich kann eine RE01-MCU ihren eingebauten EHC verwenden, um eine Sekundärbatterie aufzuladen, während sie den Rest des Geräts mit Systemstrom versorgt. Der RE01 ist mehr als nur ein Energy-Harvesting-Baustein: Er kombiniert seinen EHC mit einem 64MHz-Arm®-Cortex®-M0+-Kern, On-Chip-Flash, einem TSIP-Block (Trusted Secure Intellectual Property), einem 14-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC), Timern und mehreren Peripherie-Schnittstellen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Mikrocontroller-Familie RE01 von Renesas wurde entwickelt, um das Design batteriebetriebener Geräte zu vereinfachen. Sie kombiniert einen kompletten Energy-Harvesting-Controller mit einem stromsparenden Arm-Cortex-M0+-Prozessorkern, On-Chip-Flash und mehreren Peripheriekomponenten und Schnittstellen. (Bildquelle: Renesas)

Der RE01 wurde entwickelt, um die Implementierung von batteriebetriebenen IoT-Geräten zu vereinfachen, und verfügt über einen umfassenden Satz relevanter Peripheriefunktionen. Neben dem ADC und den seriellen Schnittstellen für die Sensorintegration enthält die Komponente eine Motortreiber-Steuerschaltung („MTDV“-Block in Abbildung 2), die bis zu drei Motoren ansteuern kann, eine Konstantstromquelle, die drei externe Leuchtdioden (LEDs) ansteuern kann, und einen langsamen Pulsgenerator (LPG). Für die Displayausgabe integriert die RE01-MCU einen Grafikbeschleuniger für die zweidimensionale (2D) Bildverarbeitung sowie einen MIP-LCD-Controller (MIP: Memory-in-Pixel, LCD: Liquid Crystal Display). Für die Anforderungen der Echtzeitsteuerung enthält die MCU auch einen Watchdog-Timer, eine Echtzeituhr (RTC) und eine Taktkorrekturschaltung (CCC), die die Taktgenauigkeit aufrechterhält. Für Software-Code und Daten kombiniert die RE01-Familie die oben genannte Funktionalität in Komponenten wie dem R7F0E015D2CFP (RE01 1500KB) mit 1500 KByte Flash und dem R7F0E01182CFM (RE01 256KB) mit 256 Kilobyte (KByte) Flash.

Neben den funktionalen Möglichkeiten bietet die RE01-MCU viele Optionen, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Performance und Stromverbrauch zu finden. Die MCU kann in mehreren Betriebsmodi laufen, die den Stromverbrauch minimieren, indem die Betriebsfrequenz von der maximalen 64MHz-Rate auf 32,768 Kilohertz (kHz) in einem Modus mit geringem Leckstrom reduziert wird, mit Zwischenfrequenzen im normalen Betriebsmodus von 32 MHz oder 2 MHz. Im typischen Betrieb verbraucht der RE01-1500KB (R7F0E015D2CFP) typischerweise nur 35 Mikroampere pro Megahertz (µA/MHz) aktiven Strom und nur 500 Nanoampere (nA) Strom im Standby-Modus bei 1,62 Volt. Sein 14-Bit-ADC zieht nur 4 µA, und das Zurückschreiben der Flash-Programmierung benötigt nur etwa 0,6 Milliampere (mA). Der EHC der RE01-MCU stellt die Stromversorgung für diese normalen Operationen bereit und verfügt über eine Reihe von Funktionen, die die Implementierung von Energy Harvesting und Batteriemanagement erleichtern.

Integrierter Energy-Harvesting-Controller vereinfacht das Design

Dank des integrierten EHC machen die RE01-MCUs die Implementierung von Energy Harvesting zu einem eher routinemäßigen Vorgang. Entwickler müssen lediglich ein stromerzeugendes Element, wie z. B. eine Solarzelle, ein TEG oder einen Schwingungsaufnehmer, direkt an die Pins VSC_VCC und VSC_GND der MCU anschließen. Wenn genügend Umgebungsenergie vorhanden ist, kann der EHC die MCU-Ausgangspins ansteuern, um eine Sekundärbatterie (VBAT_EHC), einen Speicherkondensator (VCC_SU) und andere externe Komponenten zu laden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der integrierte Energy-Harvesting-Controller der RE01-MCU von Renesas ermöglicht es Entwicklern, die Vorteile des Energy Harvesting schnell zu nutzen. (Bildquelle: Renesas)

Die Einfachheit des Designs ergibt sich aus dem vollständigen Satz von Funktionsblöcken, die in der RE01-MCU enthalten sind, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Der integrierte Energy-Harvesting-Controller der RE01-MCU von Renesas enthält alle Funktionen, die erforderlich sind, um ein stromerzeugendes Element zur Erzeugung der erforderlichen Ausgangsspannungen zu nutzen. (Bildquelle: Renesas)

Zusammen mit seinen Funktionsblöcken bietet der EHC mehrere Spannungsüberwachungsschaltungen sowie mehrere Status- und Steuerregister zur Orchestrierung der Leistungsabgabe. Zum Beispiel zeigt ein Statusflag eines stromerzeugenden Elements (ENOUT) an, ob dieses Element Strom erzeugt. Umgekehrt zeigt ein Flag für die Ladezielüberwachung (CMPOUT) an, ob die Ladespannung an der Sekundärbatterie oder am Speicherkondensator anliegt. Jedes dieser Merkmale spielt eine Rolle, wenn der EHC die Betriebszustände im Zusammenhang mit dem Start, dem normalen Betrieb und der Erschöpfung der Batterie durchläuft (Abbildung 5).

Abbildung 5: Mit Hilfe von internen Spannungsüberwachungen, Statusflags und Registern unterstützt der integrierte Energy-Harvesting-Controller der RE01-MCU von Renesas den gesamten Ladevorgang von der ersten Aufladung bis zur Erschöpfung. (Bildquelle: Renesas)

Wenn ein stromerzeugendes Element an die MCU angeschlossen wird, geht der EHC in die Anfangsladephase über. Hier ermöglicht der EHC den Stromfluss zu VCC_SU und lädt den Speicherkondensator, bis der Spannungspegel an VCC_SU einen bestimmten Schwellenspannungspegel, VCC_SU_H, überschreitet. An diesem Punkt verwendet der EHC dann den Speicherkondensator, um mit der Stromversorgung des Systembereichs, VCC, zu beginnen. Wenn VCC die Einschaltschwellenspannung (VPOR) überschreitet, geht das Einschalt-Resetsignal auf High, wodurch das Gerät aus dem Reset freigegeben wird und gleichzeitig ENOUT auf High gebracht wird, was anzeigt, dass das stromerzeugende Element aktiv ist.

Nach dem Einschalt-Reset wird das Ladesteuerungsregister VBAT_EHC des EHC auf 11b gesetzt, wodurch das Gerät mit dem Laden der Sekundärbatterie beginnen kann. In der Tat wechselt der EHC während dieses Zeitraums seinen Ladeausgang zwischen der Sekundärbatterie und dem Speicherkondensator, um die VCC-Versorgung aufrechtzuerhalten, während die Batterie geladen wird. Wenn die Spannung des Speicherkondensators unter eine untere Schwellenspannung, VCC_SU_L, fällt, schaltet der EHC den Strom auf VCC_SU um, bis die obere Schwelle VCC_SU_H erreicht wird, an der das Laden der Sekundärbatterie wieder aufgenommen wird. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis die Akkuspannung an VBAT_EHC die VBAT-Schwelle, VBAT_CHG, erreicht (Abbildung 6).

Abbildung 6: Auch nachdem der integrierte Energy-Harvesting-Controller (EHC) der RE01-MCU von Renesas mit dem Laden der Gerätebatterie begonnen hat, hält der EHC die Ladung des Speicherkondensators aufrecht, der die VCC-Systemversorgung bereitstellt, bis die Batterie vollständig geladen ist. (Bildquelle: Renesas)

Nach dem Laden der Batterie wird das QUICKMODE-Bit gesetzt, wodurch der EHC in den stationären Betriebszustand übergeht. In diesem Zustand lädt der EHC die Batterie weiterhin über das stromerzeugende Element auf, während er gleichzeitig Strom von der Batterie in den VCC-Bereich liefert.

Wenn die Umgebungsenergie sinkt und das stromerzeugende Element keinen Strom mehr liefert, versorgt das EHC weiterhin VCC aus der Batterie. Schließlich erkennt die interne Spannungsüberwachung, dass VBAT_EHC unter einen voreingestellten Schwellenwert, V_det1, gefallen ist, und das QUICKMODE-Bit wird auf Null zurückgesetzt. Sobald dieses Bit gesetzt ist, wird die Stromversorgung zum VCC-Bereich unterbrochen und die EHC-Register werden initialisiert. Ein weiteres Absenken von VCC unter V_POR veranlasst das Gerät, das Einschalt-Resetsignal zurückzusetzen. Um den Betrieb wieder aufzunehmen, muss das Gerät dementsprechend die erste Ladesequenz durchführen, nachdem die Umgebungsenergie auf ein ausreichendes Niveau angestiegen ist.

Evaluierungskit unterstützt Rapid Prototyping

Während der eingebaute EHC des RE01 zusätzliche Komponenten überflüssig macht, müssen Entwickler, um seine Funktionen nutzen zu können, die Komponente dennoch konfigurieren und die oben erwähnte vorgeschriebene Reihe von Operationen ausführen. Um Entwicklern einen schnellen Einstieg in das Rapid Prototyping und die kundenspezifische Entwicklung mit der RE01-Familie zu ermöglichen, bietet Renesas die einsatzbereiten Evaluierungskits RTK70E015DS00000BE und RTK70E0118S00000BJ für den RE01-1500KB bzw. RE01-256KB an. Tatsächlich bietet das Kit RE01-1500KB eine schlüsselfertige Entwicklungsplattform, die das MCU-Board RE01-1500KB (Abbildung 7), ein LCD-Erweiterungsboard, ein Solarpanel und ein USB-Kabel enthält. Neben der RE01-MCU enthält das Entwicklungsboard einen Speicherkondensator, einen Anschluss für einen externen Akku, Schalter, LEDs, einen On-Board-Debugger und mehrere Schnittstellenanschlüsse, darunter eine Arduino-Uno-Steckleiste.

Abbildung 7: Das Evaluierungskit RE01-1500KB von Renesas enthält ein MCU-Board RE01 1500KB mit einem On-Board-Debugger und mehreren Schnittstellenoptionen, die die Evaluierung, das Prototyping und die kundenspezifische Entwicklung unterstützen. (Bildquelle: Renesas)

Zusammen mit der Hardware-Entwicklungsplattform, die im Evaluierungskit enthalten ist, bietet Renesas einen umfassenden Satz an Softwarepaketen, die für die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) „Embedded Workbench“ von IAR Systems oder die Renesas-eigene IDE „e² Studio“ ausgelegt sind. Die Software basiert auf dem CMSIS-Treiberpaket (Cortex Microcontroller Software Interface Standard) von Arm und verwendet Softwarekonstrukte, die Entwicklern von Code für Arm-basierte Prozessoren vertraut sind.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass die Beispielroutinen in den Renesas-Softwarepaketen eine ausführbare Vorlage für die Entwicklung eigener Software bieten. Zum Beispiel erfordert die Implementierung der in Abbildung 5 gezeigten EHC-Betriebssequenz eine begleitende Reihe von Initialisierungsprozeduren, die erforderlich sind, um den Stromverbrauch während wichtiger Phasen wie der ersten Aufladung und der sekundären Batterieladung zu minimieren. Eine mit der Beispielsoftware mitgelieferte Startup-Routine demonstriert jede dieser Initialisierungs- und Einrichtungsprozeduren. Noch besser: Renesas bietet Entwicklern einen klaren Weg, diese Startup-Routine zu nutzen, um Parameter nach Bedarf zu ändern und eigenen Software-Code in die Startup-Sequenz einzufügen (Abbildung 8).

Abbildung 8: Der in der Software-Distribution von Renesas enthaltene Beispielcode für die Inbetriebnahme der Energy-Harvesting-Funktionen der RE01-MCU demonstriert jeden erforderlichen Schritt und hebt gleichzeitig hervor, wo Entwickler Parameter ändern oder ihren eigenen Softwarecode einfügen können. (Bildquelle: Renesas)

Mit dem Evaluierungskit von Renesas und den dazugehörigen Softwarepaketen können Entwickler schnell verschiedene Betriebsmodi der RE01-MCU untersuchen und Energy-Harvesting-Methoden evaluieren. Später bietet diese Umgebung eine effektive Plattform für das schnelle Prototyping der eigenen Anwendung und die kundenspezifische Entwicklung.

Fazit

Energy Harvesting bietet eine effektive Lösung zur Reduzierung der Batteriegröße und zur Verlängerung der Batterielebensdauer in Systemen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. IoT-Geräten, aber der Ansatz kann die Gesamtgröße, Komplexität und Kosten des Designs erheblich erhöhen. Ein stärker integrierter Ansatz ist erforderlich.

Die MCU-Familie von Renesas ist mit mehreren Funktionsblöcken und Peripheriekomponenten ausgestattet und enthält ein komplettes On-Chip-Energy-Harvesting-Subsystem, das die Entwicklung von Energy-Harvesting-Systemen rationalisiert und vereinfacht. In Verbindung mit den zugehörigen Entwicklungsboards und der Software können Entwickler die Vorteile des Energy Harvesting mit kleinen, kostengünstigen Komponenten schnell evaluieren, prototypisieren und kundenspezifische Designs erstellen, die die Vorteile des Energy Harvesting voll ausschöpfen können.